Artigo Monitoramento Ambiental - IoT trabalho

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S. Sandri, J. Stolfi, L.Velho
Monitoramento Ambiental para a Produção Orgânica de Café na Fazenda Cafeum Brasillis
Angelo Oliveira1
1 Universidade Estácio de Sá (UNESA)
Niterói I – 24020.340 – Niterói – RJ – Brasil
202208618839@alunos.estacio.br
S. Sandri, J. Stolfi, L.Velho
Proceedings of the XII SIBGRAPI (October 1999) 101-104
Proceedings of the XII SIBGRAPI (October 1999)
Abstract. This article describes the Observare Brasillis project, which presents the application of IoT to monitor environmental parameters in a study of selection of genetic profiles of different coffee seeds at the Cafeum Brasillis Farm, which has suffered major losses in its production in the last two Years. For this, the IoT system will be composed of sensors of humidity, temperature, soil pH and pest identification. Amazon's AWS IoT Core cloud service will be added to the system to enable device management, monitoring, security, and communication. Finally, the application of this solution will allow the selection of higher quality coffee plants, recovering the productive capacity of the farm.
Resumo. Este artigo descreve o projeto Observare Brasillis, que apresenta a aplicação de IoT para monitorar parâmetros ambientais em um estudo de seleção de perfis genéticos de diferentes sementes de café na Fazenda Cafeum Brasillis, que sofreu grandes perdas em sua produção nos últimos dois anos. Para isso, o sistema IoT será composto por sensores de umidade, temperatura, pH do solo e identificação de pragas. O serviço de nuvem AWS IoT Core da Amazon será adicionado ao sistema para permitir o gerenciamento, monitoramento, segurança e comunicação dos dispositivos. Por fim, a aplicação dessa solução permitirá a seleção de plantas de café de maior qualidade, recuperando a capacidade produtiva da fazenda.
1. Introdução
	A Fazenda Cafeum Brasillis é uma empresa brasileira que possui dezenas de fazendas de café. Seu pioneirismo e tradição advêm da utilização de práticas agrícolas sustentáveis e socialmente justas, sendo a única empresa capaz de produzir café com certificação orgânica em larga escala. Essa certificação agrega valor ao produto, mas também encarece sua produção.
2. Desenvolvimento
	Nos últimos dois anos, a produção de café orgânico da fazenda sofreu uma queda significativa devido a uma alteração genética em suas plantas, resultando em perdas substanciais de lucro e participação de mercado. Sendo o café uma cultura agrícola de alto valor e muito sensível a variações de temperatura, umidade do solo e pH, os agrônomos da fazenda constataram que essa alteração genética foi ocasionada por características ambientais, principalmente pela severa estiagem ocasionada pelas mudanças climáticas. Eles sugeriram a elaboração de um experimento no qual diversas sementes de café com características genéticas diferentes fossem plantadas, a fim de identificar qual perfil genético melhor se adapta à região. No entanto, para isso, eles precisam de um ambiente de estudo controlado, onde pudessem realizar o monitoramento e a aplicação de testes para encontrar a planta com a carga genética mais adaptativa.
	Foi proposto o projeto Observare Brasillis, que visa implantar uma solução capaz de monitorar e controlar parâmetros ambientais, como temperatura, umidade do solo, pH do solo e a presença de pragas. Essa solução emitirá alertas e sugerirá ações específicas para manter a fitossanidade e o bem-estar da plantação de café naquela região.
	Nesse contexto, as características físicas do ambiente serão coletadas, transmitidas e processadas por meio da implementação do IoT, formando um sistema bidirecional. Serão necessárias várias ações para realizar a fusão de sensores, ou seja, combinar diferentes tipos de sensores e a partir de seus dados obter uma análise assertiva do contexto em que questão. A escolha desses sensores e dispositivos deve considerar aspectos como custo, tamanho, vida útil, consumo de energia, capacidade de dimensionamento, protocolos, segurança, precisão e recursos de implementação.
	No que tange aos sensores e suas combinações para a elaboração da solução, será utilizado o dispositivo de borda Arduino, que por consequência, oferece suporte aos sensores :
· Item 1: Sensor digital de temperatura do ar: O sensor de temperatura escolhido foi o DS18B20, que realiza medições de temperatura entre -55°C a 125°C. Ele possui uma boa precisão, interface digital, alimentação de 3 a 5V, uma boa taxa de atualização e sua utilização requer o uso de um resistor de pull-up, devido ao fato de utilizar a interface de um fio.
· 1.1 Protocolo: Este sensor emprega apenas o protocolo OneWire, que é um protocolo baseado em pulsos de tempo. A transmissão da sequência de pulsos indica os bits a serem transmitidos. Nesse sensor, o pino emissor é conectado ao GND com o uso de um resistor de pull-up.
· Item 2: Sensor de umidade e temperatura do solo: O sensor escolhido para medir a umidade do solo foi o Teros 10/11, devido à sua alta precisão em relação aos sensores Decagon EC-5, SHT3x, FC-28 e YL-69. Esse sensor utiliza uma tecnologia chamada True Capacitance para medir com precisão a umidade do solo. Ele possui uma saída digital e analógica, sendo compatível com o Arduino. Sua faixa de operação é entre -40 °C e 60 °C, e cada medição dura 10 ms.
· 2.1: Protocolo: Este sensor utiliza o protocolo de comunicação SDI-12 (Serial Data Interface at 1200 baud), que é um protocolo para sensores ambientais. Esse protocolo é baseado em comunicação assíncrona e suporta até 10 endereços de sensores conectados a um barramento.
· Item 3: Sensor de pH do solo: O sensor de pH do solo escolhido foi o Gravity: Analog pH Sensor / Meter Kit, devido à sua alta precisão e estabilidade. Ele é integrado ao Arduino através da interface analógica, possui amplas faixas de medição, baixo consumo de energia e conta com uma boa documentação e suporte.
· 3.1: Protocolo: Não há protocolos de comunicação envolvidos, sua comunicação se dá através da leitura do sinal analógico, que é proporcional ao valor do pH medido. Esse sinal é lido na porta analógica do Arduino.
· Item 4: Sensor de presença de pragas: O sensor escolhido foi o sensor de movimento PIR (Passive Infrared), que utiliza a tecnologia infravermelha e pode ser calibrado para detectar movimentações de pragas em uma área monitorada. Ele possui uma resposta rápida, em milissegundos, baixo consumo de energia e é compatível com o Arduino.
· 4.1: Protocolo: Esse sensor não usa um protocolo de comunicação específico. Ele gera um sinal elétrico quando percebe mudanças no campo infravermelho. Sua conexão com o Arduino é feita através da conexão da sua saída com um pino digital do Arduino.
	Quanto ao middleware, a opção escolhida foi o AWS IoT Core da Amazon, que oferece uma infraestrutura robusta com um conjunto de serviços que proporcionam segurança, bom gerenciamento, armazenamento e análise. Isso possibilita várias integrações de inteligência artificial e aprendizado de máquina para IoT.
	Vale destacar que um dos grandes desafios relacionados à aplicabilidade dessa solução na extensão dos hectares da fazenda é a alimentação energética desses sensores e dispositivos de borda. Com o objetivo de obter maior autonomia e controlar essa questão, será utilizada a estratégia de colheita de energia solar, armazenamento em bateria (íons de lítio) e a implementação de um sistema de gerenciamento energético.
3.Gestão de Dispositivos IoT
· Item 1: Inventário e Classificação:
· 1.1: Todos os equipamentos serão catalogados por meio de identificação por radiofrequência (RFID) para criar um inventário completo (localização física dos dispositivos e dados técnicos relevantes) e segmentá-los de acordo com o nível de importância. 
· Item 2: Políticas de Segurança:
· 2.1: Será implementada uma política de segurança para garantir a integridade dos dispositivos e a segurança na comunicação entre sensores e dispositivos de borda.
· 2.2: A política de segurança incluirá mecanismos de controle, como autenticação do ambiente IoT e criptografiade dados.
· 2.3: Serão adotadas medidas de segmentação da rede para fortalecer a proteção dos dispositivos e dados.
· Item 3: Monitoramento e Gerenciamento:
· 3.1: Utilizaremos ferramentas de monitoramento para acompanhar o funcionamento dos equipamentos e seus metadados. O monitoramento contínuo permitirá a detecção de falhas e o envio de alertas em tempo hábil.
· 3.2: Será disponibilizado um painel de controle em tempo real, fornecendo informações relevantes sobre o status dos sensores, dispositivos de borda e dados coletados. O painel de controle será intuitivo e de fácil compreensão para facilitar a tomada de decisões.
· Item 4: Plano de Resposta a Incidentes:
· 4.1: Em caso de falhas físicas nos sensores ou dispositivos, será registrado o incidente e realizada a troca imediata do dispositivo ou sensor.
· 4.2: Se ocorrerem problemas na transferência de dados para a nuvem, os dados serão armazenados temporariamente no dispositivo de borda até que a transferência seja restabelecida.
· 4.3: Será estabelecido procedimentos claros para investigar e corrigir falhas, com o objetivo de evitar incidentes futuros.
· Item 5: Educação dos Usuários:
· 5.1: Realizaremos treinamentos mensais com todos os colaboradores envolvidos nos locais em que os sensores e dispositivos estão em uso, bem como com outros stakeholders. Os treinamentos abordaram a importância de preservar a integridade dos dispositivos, a proteção dos dados e a segurança geral do ambiente. Além disso, serão fornecidas orientações sobre a utilização adequada de todos os recursos do sistema IoT.
3. Conclusão
	O presente projeto de IoT visa monitorar parâmetros ambientais que afetam o desenvolvimento da produção de café orgânico. Por meio da construção desse sistema, com sensores e dispositivos, associado ao serviço de nuvem de gerenciamento AWS IoT Core, os agrônomos da fazenda podem coletar dados relevantes para o estudo, como umidade do solo, pH do solo, presença de pragas e temperatura. Esses dados proporcionarão uma tomada de decisão assertiva para garantir que as fazendas Cafeum Brasillis mantenham suas práticas sustentáveis e socialmente justas. Além disso, o procedimento de colheita de energia solar e seu armazenamento promovem autonomia e segurança do sistema IoT, fortalecendo os mecanismos sustentáveis. Com essa solução implementada, a fazenda Cafeum Brasillis conseguirá selecionar espécies de café com perfis genéticos de maior qualidade, recuperando e escalando sua produção sem o uso de defensivos agrícolas que inviabilizam a produção orgânica de café.
5.References
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Proceedings of the XII SIBGRAPI (October 1999)