Controle Automático de Irrigação

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XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE 
Controlador de Irrigação Autonomo para cultivo de 
milho, com feedback de umidade do solo 
 
 
Allan Bobroski e Rodrigo Facenda. 
Resumo— De acordo com a FAO e a ONU, a agricultura 
consome a maior quantidade de água no mundo, utilizando um 
média de 70% de toda a água consumida pela humanidade. O 
milho é um grande consumidor de água, necessitando cerca de 
5 mm de água por dia, sendo que em um ciclo de 120 dias, seriam 
necessários 600 mm de água para que a plantação expresse todo 
seu potencial. O controle inteligente da umidade do solo, 
portanto, é importante para evitar desperdício de água e energia 
elétrica, visto que, na maioria dos casos, é necessário o 
bombeamento da água. 
A instalação de um sistema automatizado de controle da 
vazão de água do reservatório para um sistema de gotejamento 
da plantação, de modo que, a umidade do solo fosse mantida 
dentro do padrão ideal, pode trazer grandes ganhos na 
produção, ao passo que, pode reduzir os gastos com mão de obra 
no controle da irrigação, o consumo de energia para 
bombeamento d’água e, ainda, o desperdício de água. 
Pesquisar-se-á, portanto, modelos para controle da vazão de 
água do reservatório para os dutos de irrigação, com ênfase na 
rede de interconexão dos sensores de umidade no solo com o 
controlador, posteriormente, será construído um protótipo para 
que seja possível a coleta de dados em ambiente controlado de 
crescimento do milho com e sem o controle automático, bem 
como, o levantamento dos custos para implementação do 
sistema por hectare de área plantada. 
Com essa pesquisa, objetiva-se a criação de um protótipo 
capaz de ser inserido no mercado como uma solução de fácil 
instalação e baixo custo, que através do controle da umidade de 
modo eficiente aumente a produção por hectare, reduzindo os 
custos com bombeamento d’água e funcionários. 
Keywords—Drip irrigation, moisture, LoRa, precision 
agriculture. 
I. INTRODUÇÃO 
A agricultura brasileira apresentou, nas últimas décadas, 
ganhos de produtividade que impressionam ao mundo. Ao 
mesmo tempo em que o potencial posiciona o País com 
destaque no cenário internacional, aumentam-se as 
responsabilidades econômicas, ambientais e sociais. 
De acordo com a Empresa Brasileira de Pesquisa 
Agropecuária – EMBRAPA, a automação agropecuária pode 
ser entendida como um sistema no qual os processos 
operacionais de produção agrícola, pecuária e/ou florestal são 
monitorados, controlados e executados por meio de máquinas 
e ou dispositivos mecânicos, eletrônicos ou computacionais, 
para ampliar a capacidade de trabalho humano. [1] 
Desse modo, a automação exerce a sua função sobre 
processos agrícolas para aumentar a produtividade do sistema, 
otimizando o uso de tempo, insumos e capital, visando reduzir 
perdas na produção e aumentar a qualidade dos produtos. 
O milho é considerado como uma cultura que demanda 
muita água, mas também é uma das mais eficientes no uso da 
água, isto é, produz uma grande quantidade de matéria seca 
por unidade de água absorvida. O milho de variedade de ciclo 
médio cultivado para a produção de grãos secos consome de 
400 a 700 mm de água em seu ciclo completo, dependendo 
das condições climáticas. O período de máxima exigência é na 
fase do embonecamento ou um pouco depois dele, por isso 
déficits de água que ocorrem nesse período são os que 
provocam maiores reduções de produtividade. Déficit anterior 
ao embonecamento reduz a produtividade em 20 a 30%; no 
embonecamento em 40 a 50% e após em 10 a 20%. A extensão 
do período de déficit também é importante. [2] 
Por outro lado, também deve-se evitar o excesso de 
irrigação, pois a umidade em excesso é uma inimiga do milho, 
no período de enchimento dos grãos, a baixa luminosidade 
implica na redução da taxa de fotossíntese e do metabolismo 
da planta, também compromete a qualidade e o teor de amido 
dos grãos, nessa situação é comum acontecer o aumento da 
existência de fungos nas espigas e nos colmos, que é facilitada 
pelo excesso de umidade e temperatura, aumentando os grãos 
deteriorados. [3] 
Portanto, se mostra de extrema importância de evitar 
déficit de irrigação durante o cultivo do milho, visto que, na 
fase do embonecamento, por exemplo, a falta d’água pode 
ocasionar perdas de 40-50% do potencial de produção da 
lavoura. Do mesmo modo, não se pode irrigar a plantação em 
excesso, pois do mesmo modo teremos condições prejudiciais 
ao cultivo do grão. 
Logo, a implementação de uma metodologia de controle 
automatizado com feedback de sensores de umidade 
instalados em pontos importantes da área cultivada, pode ser 
um meio de aumentar a produção por hectare plantado, 
reduzindo os gastos com energia no bombeamento d’água, 
pagamento de mão de obra e, ainda, reduzindo a presença de 
fungos causados por distorções na umidade ideal para o 
cultivo. 
L. Kamelia [4] propõe o uso de um sistema automatizado 
que utiliza aplicativo para controlar e monitorar a irrigação 
através de sprinklers, para tal feito utilizou-se sensores de 
umidade do modelo YL-69 e microcontrolador ESP826 para 
processar e transmitir os dados coletados no sensor via Wi-Fi. 
Com tal metodologia, Kamelia obteve um erro médio de 
leitura do solo de 4,7%, sendo que o sistema foi testado com 
várias condições de umidade e o sistema respondeu de modo 
satisfatório, mantendo o nível de umidade desejado através do 
acionamento de uma bomba de irrigação. 
Raghavendra [5], desenvolve um controle de irrigação 
utilizando o protocolo LoRa para comunicação entre os 
sensores e o microcontrolador responsável pelo 
processamento dos dados. A implementação do projeto 
utilizou o microcontrolador Arduino Uno com módulo LoRa 
para o processamento dos dados coletados com o sensor 
DHT11, que é capaz de mensurar a temperatura e a umidade 
do ambiente e dos dados coletados pelo Sensor FC-28 que é o 
responsável pela coleta dos dados de umidade do solo. Ainda, 
os autores propõem o armazenamento dos dados em nuvem 
com o desenvolvimento de aplicações para acessá-los. 
Mahir Drusun e Semih Ozden [6] automatizaram o sistema 
de irrigação por gotejamento, utilizando uma rede de sensores 
sem fio (rádio frequência) para monitorar em tempo real a 
umidade do solo em plantação de cerejeira anãs. Utilizando o 
modulo de comunicação UFM-M11 da Udea Technology, 
alimentado por placas solares dispostas ao lado dos módulos 
de coleta de dados de umidade do solo, que foram projetados 
com o uso de sensores 10HS da Decagon, o dispositivo envia 
os dados para uma estação de controle que é responsável por 
processar os dados recebidos e enviar os comandos para 
acionar ou desacionar as válvulas e bombas de irrigação. 
O sistema de Drusun e Ozden coleta dados a cada 3 
segundos, registrando-os em um banco de dados onde o 
módulo de controle os analisa e toma as ações necessárias, isto 
é, libera ou interrompe o fluxo de água nos dutos de irrigação 
por gotejamento. O usuário tem acesso as curvas de umidade 
do solo ao longo de uma janela de tempo para fins de 
monitoramento. 
II. OBTJETIVOS E METAS 
Para o desenvolvimento do dispositivo de controle 
autônomo de irrigação do solo através do método de 
gotejamento, deseja-se o desenvolvimento de um sistema 
capaz de mensurar a umidade do solo, apresentando a 
informação para o usuário em uma faixa em termos 
percentuais, onde 100% significa que o solo está totalmente 
encharcado e 0% significa que o solo está totalmente seco. 
Deseja-se ainda obter uma qualidade de medição da umidade 
do solo, com erro máximo de medida na casa de 1%, sendo 
que os dados coletados pelos sensores deverão ser 
transmitidos para a estação de controle via protocolos de 
comunicação sem fio, evitando assim o alto custo e incomodo 
de distribuir cabos de comunicação ao longo das plantações. 
O presente projeto tem como uma das premissas o 
desenvolvimento de um produto que seja de fácil instalação, 
que seja capaz de interpretar os dados coletados através dossensores de umidade do solo, atuando sobre o controle de 
válvulas solenoides de irrigação, nos casos em que a água flui 
naturalmente devido a ação da gravidade ou, ainda, atuando 
sobre os relés de acionamento de motores de bombas 
hidráulicas. 
Após o desenvolvimento do protótipo, deseja-se avaliar o 
impacto do controle de umidade do solo ao longo do ciclo de 
cultivo de uma plantação de milho, a fim de comprovar a 
eficiência e as vantagens de empregar o sistema na prática. 
Para tal, deverá ser monitorado o ritmo de crescimento da 
planta, quantidade de espigas por pé de milho, bem como, a 
qualidade do grão e peso líquido de grãos produzidos por pé, 
comparando os dados com uma área no mesmo loca, 
entretanto, sem o emprego do sistema de irrigação automático. 
Espera-se após a análise e eventuais alterações necessárias 
no protótipo, ser capaz de desenvolver um produto ser inserido 
no mercado como uma solução de fácil instalação e baixo 
custo, que através do controle da umidade de modo eficiente 
aumente a produção por hectare, reduzindo os custos com 
bombeamento d’água e funcionários. Além disso, é esperado 
que o sistema autônomo aumente a produção por hectare 
plantado, uma vez que as condições ideais de umidade do solo 
sejam mantidas 
 
III. MATERIAIS E MÉTODOS 
Para o desenvolvimento do projeto, será necessário a 
realização de pesquisas de modo de controle e interconexão 
em rede dos sensores de umidade espalhados na área plantada; 
a construção de um protótipo para a coleta de dados em 
ambiente controlado de crescimento do milho em três 
situações distintas: com o controle autônomo da irrigação, 
com humanos realizando o controle da vazão d’água e sem 
qualquer sistema de irrigação artificial; o levantamento dos 
custos para implementação do sistema por hectare de área 
plantada, para que a posterior comparação com os custos de 
manter funcionários para o controle do sistema. 
A. O meio de comunicação entre os sensores e o 
controlador responsável pelo sistema supervisório 
Uma vez que os sensores estarão localizados no campo e 
em distâncias consideráveis do microcontrolador responsável 
pela interpretação dos dados obtidos com o sensor, observa-se 
que existe a necessidade de utilizar um meio de comunicação 
que cubra longas distâncias, ao passo que não exija alto gasto 
de energia, uma vez que os sensores e placa de comunicação 
serão alimentados por baterias. 
A tecnologia de comunicação LoRa, que deriva da 
expressão em inglês “Long Range”, é um método de 
comunicação sem fio que vem evoluindo e ganhando 
popularidade quando se trata de sistemas embarcados 
alimentados por baterias que precisam transferir dados [7]. 
Devalal [8] ao comparar o LoRa com os demais métodos 
de comunicação difundidos no mercado, como por exemplo, 
as redes de celular, LAN e ZigBee, cita as seguintes 
vantagens: 
• As redes de celular (GSM, 2G, 3G e 4G) apesar de 
muito bem estabelecidas e difundidas no mercado, 
foram tradicionalmente projetadas para alta 
transferência de dados e não possuem preocupação em 
manter baixo consumo de energia, além de não operar 
em baixas frequências. O LoRA, entretanto, possui 
taxa de consumo de energia muito menor e é adequado 
para pequenas quantidades de dados (informações do 
sensor de umidade) e perfeitamente capaz de atingir 
longas distâncias. 
• Quando comparado com as redes LAN, utilizando Wi-
Fi para transmissão dos dados, o LoRa leva vantagem 
por causa do baixo alcance de transmissão dos 
roteadores Wi-Fi e, ainda, os roteadores por 
normalmente estarem localizados em locais onde o 
consumo de energia não é determinante, não possuem 
tal preocupação. 
• O ZigBee por sua vez, consiste em dispositivos de 
baixa potência e são adequados para projetos de 
pequena escala que necessitam transferir dados em 
pequenas distâncias (seu intervalo é de 10-100 
metros). O ZigBee utiliza uma malha de transmissores 
que se comunicam entre si para levar os dados em 
distancias maiores, isso, no entanto, consome energia 
e não é adequado para aplicações de baixo consumo de 
energia. O LoRa é baseado em topologia estrela, 
eliminando a necessidade de dispositivos 
intermediários, reduzindo os custos e consumo de 
energia. 
No desenvolvimento do dispositivo de controle de 
irrigação, utilizaremos o Módulo RF LoRa E01-ML01DP5 
que pode ser utilizado com Arduino, trabalha com frequência 
de até 2525 MHz e, no ar livre, pode transmitir dados em até 
2.500 metros de distância. 
 
Figura 1. O módulo RF LoRa ML01DP5 
O protocolo LoRa permite diversas combinações de 
parâmetros de transmissão como fator de propagação, largura 
de banda, taxa de codificação, dentre outros. Para avaliar os 
parâmetros escolhidos no projeto, utilizar-se-á o algoritmo de 
sondagem proposto por Martin Bor [9] que realiza uma 
varredura de configurações, visando encontrar os melhores 
parâmetros, o algoritmo deve ser alimentado com uma 
configuração inicial e inicia um loop de testes de combinações 
de parâmetros, avaliando o desempenho do link através da 
taxa de recepção de pacotes, até que se encontre os parâmetros 
mais adequados, atingindo um tempo de resposta satisfatório 
e a menor dissipação de energia possível. 
B. Coleta de dados sobre a umidade do solo 
A umidade do solo (h) é definida como a razão entre a 
massa de água (Ma) contida num certo volume de solo e a 
massa da parte sólida (Ms) existente nesse mesmo volume 
[10]: 
 𝐻(%) =	!"
!#
	 . 100 (1) 
No Brasil a determinação da umidade do solo é 
padronizada pela norma NBR 6457/2016 – Amostras de solo 
– Preparação para ensaios de compactação e ensaios de 
caracterização. 
No projeto do controlador de umidade, utilizaremos o 
Sensor de Umidade de Solo HD-38 que utiliza duas ponteiras 
para passar uma corrente elétrica através do solo, realizando a 
leitura da resistência elétrica do solo, grandeza essa que varia 
conforme o teor de umidade do solo. O Sensor HD-38 possui 
uma saída analógica onde se realizará a leitura da tensão, que 
apresentará variação conforme o nível de umidade do solo. 
 
Figura 2. O sensor de umidade HD-38 
Entretanto, observa-se que para uma leitura confiável, uma 
vez que cada solo possui uma característica distinta, é 
necessário calibrar o sensor. Deste modo, no momento da 
instalação do dispositivo, iremos realizar a coleta de uma 
amostra de solo para que se possa ajustar o nível de umidade 
indicado pelo sensor de acordo com o real nível de umidade 
do solo. 
Para determinar o nível real de umidade da amostra 
coletada para calibração do sensor, utilizar-se-á o método de 
forno micro-ondas, que é um processo de secagem do solo 
através do emprego da radiação eletromagnética que se baseia 
no fato das moléculas de água serem dipolos elétricos naturais, 
os quais sofrem rotação quando expostos a um campo 
eletromagnético [11]. O processo de obtenção da umidade da 
amostra deve seguir os seguintes passos: pesar e registar a 
massa da amostra (cerca de 50g para materiais siltosos ou 
argilosos e cerca de 80g para materiais arenosos), registrando 
o peso do material úmido; colocar a amostra no forno micro-
ondas, aquecendo a amostra até que ocorra uma mudança 
significativa na coloração da mesma (ficará mais clara); 
realizar a pesagem do material seco; em seguida, utiliza-se os 
dados na Equação (1) para definir o nível de umidade em 
termos percentuais. 
Tendo em mãos o nível de umidade da amostra, pode-se 
ajustar o nível de umidade medido pelo sensor de umidade 
HD-38 através do software do controlador de umidade do 
solo. 
C. A alimentação do módulo de coleta de dados 
O módulo de coleta de dados é composto pelo sensor de 
umidade do solo HD-38, um módulo RF LoRa e um arduino 
nano para realizar o processamento dos dados colhidos através 
do sensor e enviar as informações via LoRa para uma central 
de processamento. Todos os dispositivos eletrônicos citados, 
operam com tensão de 3,3 a 12 Volts e, portanto, vamos 
utilizar uma bateria de lítio de com tensão de saída de 3,7Volts, que será recarregada através de uma placa solar de 9 
Volts e 3.5 W. 
 
D. Validação do projeto 
 
Para validar a eficiência e as vantagens do emprego do 
controlador de irrigação autônomo, iremos utilizar como 
métrica a produtividade por hectare. Deste modo, na fase de 
validação do protótipo iremos criar três ambientes para coleta 
de dados referente a produtividade, isto é, um ambiente onde 
o controle da irrigação será realizado pelo protótipo 
desenvolvido; um ambiente de testes onde a irrigação ocorrerá 
de modo manual; e um terceiro ambiente onde não haverá 
irrigação artificial. 
Sabendo que a produtividade de lavouras de milho é 
mensurada por hectare, notadamente, na fase de protótipo é 
inviável monitorar uma hectare para cada situação que se 
deseja colher dados, logo, utilizaremos o método de estimativa 
de produtividade recomendado pela EMATER onde é 
necessário a contagem do número médio de espigas em 10 
metros lineares (NE), o peso médio de grãos por espiga 
corrido para 15,5% de umidade (P), obtido pela média do peso 
de grãos de três espigas coletadas (gramas), e o espaçamento 
entre linhas (EM), sendo então a produtividade definida pela 
equação (2): 
𝑃𝑟𝑜𝑑utividade(𝑡𝑜𝑛/ℎ𝑎) = :$%	'	(
%!
; /1000 (2) 
IV. CONDIÇÕES, DIFICULDADES E RISCOS 
Para o desenvolvimento da pesquisa os recursos 
necessários para implementação do protótipo e coleta dos 
dados necessários para a avaliação da viabilidade do produto 
são, de certa forma, de fácil obtenção, tendo em vista que 
podem ser realizadas por amostras em áreas pequenas e depois 
projetadas em maiores espaços. 
Entretanto, cabe ressaltar que com as premissas adotadas 
no projeto, o mesmo será capaz de controlar a umidade do solo 
evitando o bombeamento de água em excesso ou em 
quantidades menores que o necessário, todavia, notadamente, 
não é possível controlar a precipitação natural, de modo que 
caso ocorra excesso de chuva o sistema é incapaz de corrigir 
o excesso de umidade. Logo, deve ser avaliado como um risco 
de execução do projeto a possível inviabilidade do controle 
em regiões com índices de precipitação muito alta ou solos 
que não se mostrem adequados ao cultivo do milho. 
V. MATERIAIS E MEIOS DISPONÍVEIS 
Atualmente, microcontroladores, módulos de rede e 
sensores de umidade estão cada vez mais acessíveis para 
compra e utilização em desenvolvimento de sistemas 
embarcados de automação. No que tange ao ambiente 
controlado para avaliação dos resultados, observa-se que é 
possível a utilização de pequenas propriedades agrícolas que 
se dispunham a participar da pesquisa para a obtenção dos 
dados necessários para o desenvolvimento do projeto. 
VI. CRONOGRAMA BASE DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 
• Fevereiro e março: pesquisa de mercado e compra de 
materiais necessários; 
• Abril, maio e junho: desenvolvimento e testes em 
bancada; 
• Julho, agosto e setembro: prototipação mecânica; 
• Outubro, novembro e dezembro: implantação e 
coleta de dados em ambiente controlado; 
• Janeiro: análise dos resultados. 
 
VII. RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS 
Espera-se obter um protótipo capaz de ser inserido no 
mercado como uma solução de fácil instalação e baixo custo, 
que através do controle da umidade de modo eficiente 
aumente a produção por hectare, reduzindo os custos com 
bombeamento d’água e funcionários. Além disso, é esperado 
que o sistema autônomo aumente a produção por hectare 
plantado, uma vez que as condições ideais de umidade do solo 
sejam mantidas. 
 
REFERENCES 
[1] EMBRAPA. Automação e Agricultura de Precisão [Online]. 
Disponível em: https://www.embrapa.br/tema-mecanizacao-e-
agricultura-de-precisao/nota-tecnica 
[2] P. Resende, Cultivo do Milho. EMBRAPA, 2007. [Online]. Disponível 
em: 
https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/69853/1/Irrigaca
o-1.pdf 
[3] Sementes Guinosisi. Como o excesso de chuva prejudica as plantações. 
Disponível em: 
https://www.sementesguinossi.com.br/blog/dicas/como-o-excesso-de-
chuva-prejudica-as-plntacoes/17. 
[4] L. Kamelia et al., “Implementation of Automation System for 
Humidity Monitoring and Irrigation System”, IOP Conf. Series: 
Material Science and Engineering. 
[5] Menthigeda Raghavendra et al., “Design and Development of Smart 
Irrigation Using Lora”, International Journal of Advance Science and 
Technology, vol. 29, No. 10S, pp. 7724-7733, 2020. 
[6] Mahir Dursun et al., “A wireless application of drip irrigation 
automation supported by soil moisture sensors”, Scientific Research 
and Essays, vol. 6(7), pp. 1573-1582, April, 2011. 
[7] Orange Connected Objects & Partnerships, LoRa Device Developer 
Guide, April 2016. https://partner.orange.com/wp-
content/uploads/2016/04/LoRa-Device-Developer-Guide-Orange.pdf. 
[8] S. Devalal and A. Karthikeyan, "LoRa Technology - An Overview," 
2018 Second International Conference on Electronics, Communication 
and Aerospace Technology (ICECA), 2018, pp. 284-290, doi: 
10.1109/ICECA.2018.8474715. 
[9] M. Bor e U. Roedig, "LoRa Transmission Parameter Selection," 2017 
13ª Conferência Internacional sobre Computação Distribuída em 
Sistemas de Sensores (DCOSS) , 2017, pp. 27-34, doi: 10.1109 / 
DCOSS.2017.10. 
[10] CAPUTO, Homero Pinto; CAPUTO, Armando Negreiros; Mecânica 
dos solos e suas aplicações. 7. ed. rev. e ampl. Rio de Janeiro: LTC, 
2017. 
[11] TAVARES, M.H.F.; CARDOSO, D.L.; GENTELINI, D.P.; 
GABRIEL FILHO, A.; KONOPATSKI, E.A. Uso do forno de 
microondas na determinação da umidade em diferentes tipos de solo. 
Semina: Ciências Agrárias, Londrina, v.29, n.3, p.529-538, 2008 
[12] FONSECA, S. O. et al. Avaliação do método do forno microondas para 
a determinação de umidade do solo em relação ao método padrão de 
estufa. XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e IX 
Encontro Latino Americano de Pós-Graduação–Universidade do Vale 
do Paraíba, 2009.