ESTUFA

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TÍTULO
1Oliveira, L.M. ; Camata, P. F.; Ramos, F. W; Giroldi, H.V.; Martins, M. S.; Cruz, H. J.; Gouvea, F. R.; Luz, Z. B.; 
 
 Alunos do Curso de Engenharia de Automação e Controle – Unisal
¹e-mail: dmonicalira@ymail.com
Resumo
No relatório apresentado descrevemos ideias obtidas para a realização do projeto de construção de uma Estufa Hidropônica Automatizada, serão mostrados de forma pratica como a hidroponia pode ser aplicada e como a automação pode ajudar a ter mais controle do sistema, como por exemplo, nutrientes, temperatura, humidade etc. 
Palavras chave: hidroponia, automação, estufa.
Introdução
A agricultura está se desenvolvendo cada vez mais, sempre surgem novas técnicas de cultivo, alimentos produzidos sem ou com quantidade bem menor agrotóxicos. Os consumidores estão mais exigentes quando o assunto é alimentação saudável. 
A hidroponia é uma forma de cultivo que está em destaque hoje em dia. Com este tipo de cultivo as plantas não crescem fixadas no solo, e sim na água. Sendo necessária a inserção de nutrientes para o desenvolvimento que é dissolvido na água que passa por suas raízes. A técnica é uma alternativa bastante utilizada em países com condições adversas de clima como Holanda, França, Estados Unidos e Japão. No Brasil a região que mais concentra a produção hidropônica é a Sudeste especialmente o estado de São Paulo. Além da comercialização para fins alimentícios a hidroponia também é muito utilizada para estudo da potencialidade das plantas e alimentação animal. [1]
Na hidroponia, a planta não entra em contato com o solo e recebe os sais minerais que precisa em proporção equilibrada, dissolvidos em água. O resultado é uma planta mais forte e sadia, com qualidade nutricional e sabor equivalente aos vegetais produzidos nas práticas tradicionais de cultivo. Mas o maior atrativo do sistema hidropônico é a isenção de resíduos agrotóxicos. Ao utilizar a hidroponia, o agricultor também evita a degradação dos solos e a agressão ao ambiente, além de economizar, pois reduz o uso de produtos químicos e a preocupação com a desinfestação de áreas para o plantio. [1]
A automatização do sistema hidropônico facilita muito no controle e monitoramento da produção. A estufa automatizada atente as necessidades dos produtores aumentando a produtividade e qualidade do produto final utilizando um sistema de monitoramento. [2]
O sistema de automação é composto por um sistema de supervisão e aquisição de dados para monitorar variáveis do ambiente, controladores e sensores. A estufa automatizada irá fazer o controle de nutrientes adicionados á agua, monitoramento da temperatura, umidade, PH da água e também acionar a bomba d’água.
Referencial Teórico
Hidroponia 
A hidroponia não é um conceito recente, historiadores encontraram hieróglifos que descrevem a cultura de plantas em água há milhares de anos atrás, antes de Cristo. Em 1936 Dr. W.F. Gericke batizou com o nome hidroponia o cultivo de plantas comestíveis e ornamentais a partir de uma solução com água e nutrientes dissolvidos. [3]
Atualmente o termo hidroponia é definido como uma técnica para cultivar plantas sem solo, onde as raízes recebem uma solução nutritiva com água e nutrientes essenciais ao seu desenvolvimento. Desta forma plantas terrestres podem ser cultivadas, sustentadas apenas por um meio inerte como exemplo a perlite, gravilha, argila expandida ou fibra de coco. Um sistema hidropônico deve ser projetado de forma a cumprir com as necessidades básicas das plantas. Segundo Keith Roberto assenta sobre três princípios: fornecer uma fonte fresca e equilibrada de água e nutrientes às raízes da planta; manter um nível elevado de troca de gases entre as raízes e a solução nutritiva; proteger as raízes contra a desidratação e uma possível destruição da colheita caso haja uma falha na bomba que transporta água para a cultura ou uma falha de energia.
Os sistemas hidropônicos podem ser ativos ou passivos. Nos sistemas ativos existe um meio mecânico que transporta a solução nutritiva para as raízes das plantas, ao passo que no sistema passivo a solução nutritiva serve-se da ação capilar, a absorção e/ou gravidade para abastecer as raízes das plantas com nutrientes. As principais técnicas de cultivo em hidroponia são: Nutrient Film Technique, Drip-Irrigation ou Micro-Irrigation, Aeroponics / Deep Water Culture, Flood & Drain (EBB and Flow), Water Flows. [5]
Nosso projeto é baseado na técnica Flood & Drain (EBB and Flow):
Flood & Drain (Ebb and Flow)
Ebb and Flow ou sistema de fluxo e refluxo é outra técnica de cultivo em hidroponia. As plantas são colocadas em vasos que normalmente contém argila e suportados num tabuleiro. No reservatório que contém água e nutrientes uma bomba é acionada em certos períodos tempo para bombear a solução nutritiva para as raízes das plantas até ficarem submersas. Após isso, a solução é drenada para o reservatório. Isto permite que haja uma troca regular de oxigénio e nutrientes nas raízes das plantas.
Figura 1 – Estufa Flood & Drain [4]
Vantagem e desvantagem
As principais vantagens do sistema hidropônico segundo são [6]:
Produção de melhor qualidade: as plantas crescem em um ambiente controlado, livre de efeitos climáticos;
Trabalho mais leve e limpo: o cultivo é feito longe do solo e não são necessárias operações como arações, coveamento, capinas, etc.;
Não é necessária rotação de cultura: a hidroponia se cultiva e meio limpo e sem o acumulo de doenças;
Alta produtividade e colheita precoce: como se fornece às plantas boas condições para seu desenvolvimento, não ocorre competição por nutrientes e água;
Menor uso de agrotóxicos: como não se emprega solo, os insetos e micro-organismos de solo, os nematoides e as plantas daninhas não atacam, reduzindo a quantidade de defensivos utilizada;
Maior tempo de prateleira: os produtos hidropônicos são colhidos com raiz, com isso duram mais na geladeira;
Menor uso de mão-de-obra, pois as práticas agrícolas não são utilizadas.
As principais desvantagens do sistema hidropônico são:
Maior investimento inicial, comparado ao cultivo convencional;
Necessidade de conhecimentos técnicos, para controle da solução;
Dependência de energia elétrica;
Maior atenção com doenças por sua facilidade de disseminação.
Estufa 
Estufa é um ambiente protegido que propicia um micro clima adequado ou próximo ao ideal para o desenvolvimento das culturas. As estufas podem ser pequenas, cobrindo somente uma bancada, ou podem ser grandes e cobrir várias bancadas. O objetivo de uma estufa é absorver o calor proveniente dos raios solares e mantê-lo em seu interior. Além desse processo a estufa também protege a planta contra ameaças externas, tais como: pragas, insetos e outros.
Solução Nutritiva e PH
Um dos princípios básicos para produção vegetal, tanto no solo como sobre sistemas de cultivo hidropônico é o fornecimento de todos os nutrientes de que a planta necessita para seu desenvolvimento. Na hidropônica todos os nutrientes são oferecidos às plantas na forma de solução. Esta solução é preparada com sais fertilizantes ou adubos químicos. Existem vários sais fertilizantes no mercado que fornecem os mesmos nutrientes para as plantas. Deve-se optar por aqueles fáceis de dissolver em água, baixo custo e facilidade de obtenção no mercado. [6]
O pH da solução nutritiva pode se apresentar ácida, neutra ou alcalina. A solução com o pH abaixo de 5,5 corresponde à solução ácida, acarretando a competição pelos íons H+; com o pH acima de 6,5, a solução é considerada alcalina e favorece a diminuição ânions. Somente a solução considerada neutra é a ideal para o cultivo de vegetais, podendo oferecer sua máxima eficiência no crescimento das plantas. [5]
Monitorizando o pH no tanque que contém a solução nutritiva num sistema hidropônico, é possível detectar quando existe a falta de algum nutriente evitando assim que as plantas sejam afetadas.
Temperatura
A temperatura é uma das variáveis climáticas que envolvem as plantas mais importantes a monitorizar.Ela afeta todos os processos de crescimentos ou funções metabólicas das plantas, tais como a fotossíntese, respiração, transpiração, queda de sementes, germinação das sementes, síntese de proteínas e a translocação (movimento da água e solutos no interior da planta). A altas temperaturas a translocação é mais rápida o que leva a um amadurecimento precoce.
A temperatura ótima para a cultura em estufa situa-se entre os 15°C e os 30°C dependendo do produto agrícola cultivado. Temperaturas elevadas provocam danos permanentes nas plantas, queimando-as. Por outro lado valores muito baixos de temperatura, sensivelmente abaixo dos 5°C provocam deformações estruturais e limitações no crescimento. Quando a temperatura é inferior ao ponto de congelação da água, o processo de solidificação em células vivas provoca a rutura das paredes das células. 
No inverno, as culturas no interior da estufa podem ser protegidas utilizando aquecimento externo para manter a temperatura em valores adequados. No verão, quando as temperaturas são muito elevadas, para arrefecer a estufa recorre-se a ventilação natural ou artificial, sistemas de arrefecimento (ar condicionado), sombreamento e também caiar o exterior da estufa. [7]
Umidade
A quantidade de vapor água que o ar pode conter depende da temperatura. O ar quente consegue reter mais água que o ar frio, a cada 10°C de descida de temperatura existe uma redução para metade dessa quantidade. 
A humidade relativa é a quantidade de vapor de água, expressa em proporção (percentagem), que o ar pode conter a uma certa temperatura. Por exemplo, o valor de humidade relativa de 60% a 27°C significa que cada quilograma de ar contém 60% da quantidade máxima de água.
A humidade relativa do ar afeta a abertura e o fecho dos estomas que regulam a perda de água nas plantas por transpiração, e também na fotossíntese. Os valores ótimos para o crescimento das plantas situam-se entre os 70% e os 80%. Valores elevados de humidade relativa levam ao aparecimento de fungos e limitam os mecanismos de regulação de temperatura das plantas por transpiração. Por outro lado, quando o ar é muito seco revela uma baixa humidade relativa provocando um atraso no crescimento das plantas. [7]
Luminosidade
Nenhuma planta é capaz de se desenvolver sem luminosidade, seja direta ou indiretamente, é fundamental para o seu crescimento, sendo que uma série de processos e reações que envolvem a sua sobrevivência, depende da energia que ela absorve da luz, dentre esses processos, temos como principal a fotossíntese.
O tempo necessário de exposição à luz e sua intensidade varia de planta para planta. A cebolinha, como exemplo, precisa de pelo menos algumas horas de luz direta por dia, enquanto que outras chegam a não resistir à exposição aos raios solares diretos. [7]
Microcontrolador
Um microcontrolador é um computador embutido num único chip, possui periféricos de entrada e saída, memória e um processador. Especificamente é um microprocessador que pode ser programado com funções específicas. Na eletrônica, os microcontroladores são utilizados essencialmente no controlo de pequenos sistemas, como por exemplo uma máquina de lavar roupa.
Sistema de Aquisição de Dados e Controle de Processos: labview
O LabVIEW (acrónimo para Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) é uma linguagem de programação gráfica originária da National Instruments. A primeira versão surgiu em 1986 para o Macintosh e atualmente existem também ambientes de desenvolvimento integrados para os Sistemas Operativos Windows, Linux e Solaris. Os principais campos de aplicação do LabVIEW são a realização de medições e a automação. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para a aquisição de dados e para a sua manipulação. [8]
Vegetais:
Cebolinha	
A cebolinha Allium fistolosum é uma Hortaliça, pertencente à família das cebolas, mas não possuem bulbo, sendo consumidas somente as folhas. Duas espécies são cultivadas: cebolinha verde ou comum e cebolinha de folhas finas ou galega. A cebolinha verde possui numerosas folhas, seu comprimento varia de 25 a 35 cm e tem cor verde mais clara do que a galega.
O cultivo é indicado para as regiões de clima ameno, entre 13 e 24ºC, mas há cultivares que podem suportar baixas temperaturas e há cultivares que crescer bem em altas temperaturas. Prefere solos de textura média, ricos em matéria orgânica, bem drenados e com pH entre 6,0 e 6,8. [9]
A cebolinha necessita de luz solar direta ao menos por algumas horas diariamente. [10]
Salsinha
A Salsa Petroselinum sativum L., tem como origem o Sul da Europa e Oriente Médio. Planta perene, herbácea, com 0,60 a 1,00 metros de altura, de caule oco, pouco ramificado, de coloração verde clara e rico em canais oleíferos que lhe dão aroma e sabor peculiar. Também possuem aroma forte e agradável.
O cultivo da salsa é indicado para regiões de clima ameno, sob sol pleno ou meia sombra em solo fértil, drenável, enriquecido com matéria orgânica e irrigado regularmente, desenvolvendo-se melhor sob temperaturas entre 7 a 24ºC. Não tolera temperaturas extremas. Apesar de ser uma espécie pouco exigente em fertilidade, prefere solos com textura média, ricos em matéria orgânica, bem drenados e com pH entre 5,5 e 6,8. [11]
III. Principais Componentes do projeto
Arduino Mega 2560 
O Arduino Mega 2560 é uma placa com o microcontrolador Atmega2560. Possui 54 pinos digitais (entrada/saída) sendo que 14 podem ser utilizados como saídas PWM. São 16 pinos analógicos, 4 UARTs (Portas Seriais de Hardware), um cristal oscilador de 16MHz, entrada USB, entrada de alimentação, soquete de comunicação ICSP e um botão reset. A placa contém todo o necessário para usar o microcontrolador, bastando, ligar o cabo USB no computador para ligá-lo e programá-lo. A alimentação pode ser feita através do cabo USB, fonte de alimentação AC-DC ou bateria. [12]
Figura 2 – Arduino Mega 2560 [13]
Sensor de Luz com LDR
O LDR (Resistor dependente de luz) é um tipo de resistor que varia de resistência à partir da luminosidade captada do ambiente. Ele apresenta como característica a variação da resistência com a variação da luminosidade, ou seja, quando a luminosidade aumenta a sua resistência diminui e quando a luminosidade diminui a sua resistência aumenta para ondem de KOhm.
Através dessa característica pode-se utilizar esse sensor para detectar a luminosidade do ambiente, para tomar uma decisão, como por exemplo, ligar uma lâmpada, como ocorre nas fotocélulas.
Neste exemplo iremos fazer a leitura do sensor LDR, através de uma entrada analógica do Arduino, que irá converter o sinal analógico em digital, entre 0 á 1023 conforme a quantidade de luz no ambiente. Com este valor pode-se verificar a variação luminosa no terminal serial, e testar diferentes intensidades luminosas para ver o funcionamento do sensor. [14]
Figura 3 – Sensor de Luz
Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04
O Sensor Ultrassônico HC-SR04 é um componente muito comum em projetos com Arduino, e permite que você faça leituras de distâncias entre 2 cm e 4 metros, com precisão de 3 mm. Pode ser utilizado simplesmente para medir a distância entre o sensor e um objeto, como para acionar portas do microcontrolador, desviar um robô de obstáculos, acionar alarmes, etc.[15]
Figura 4 – Sensor de Distância Ultrassónico
Sensor de Fluxo e Vazão de Água 1/2 - YF-S201
É um sensor de fluxo de líquido de 1/2”, que contém internamente um sensor de cata-vento para medir quanto líquido foi movido por ela. Quando a água passa pelo rotor, são gerados pulsos proporcionais a velocidade do rotor. Há um sensor de efeito Hall magnético integrado que gera um pulso elétrico. O sensor de efeito Hall é vedada a partir da tubulação de água e permite que o sensor para ficar seguro e seco.
O sensor vem com três fios: vermelho (Power 5-24VDC), Preto (Terra) e amarelo (Efeito de Hall de saída de pulso). Ao contar os impulsos a partir da saída do sensor, pode facilmentecalcular o fluxo de água. Cada pulso é de aproximadamente 2,25 mililitros. Note que este não é um sensor de precisão, e a taxa de pulso faz variar um pouco dependendo da taxa de fluxo, pressão de fluido e orientação do sensor. Ele vai precisar de uma calibração cuidadosa. No entanto, seu ótimo para tarefas básicas de medição!
O sinal de pulso é uma onda quadrada simples para que sua bastante fácil de registrar e converter em litros por minuto[16]
Figura 5 – Sensor de Fluxo de Água
DHT11 - Sensor de umidade e temperatura
DHT11 é um sensor de umidade relativa e temperatura, com saída digital calibrada. Possui uma exclusiva tecnologia para medir a umidade, garantindo a confiabilidade e estabilidade. Possui internamente um microcontrolador de 8 bits para tratar o sinal.
Possui tamanho compacto, baixo consumo, encapsulamento simples com apenas quatro terminais, podendo transmitir o sinal por até 20 metros. Todas essas características permitem utilizar esse sensor nas mais diversas aplicações. [17]
Figura 6 – Sensor de Umidade
Bomba d’água
Tem por função drenagem e transferência de água.
Figura 7 - Bomba
Módulo Relé 5V 8 Canais
O Módulo Relé é responsável pela automação por contatos (liga/desliga) de cargas discretas. Esse módulo permite a integração de cargas com diferentes alimentações e funcionalidades como cortinas, irrigação, persianas, sistema de acesso e calefação. 
Cada módulo Relé disponibiliza oito relés, cada um com capacidade máxima de corrente de 10ª, 380V AC/DC e pode executar quatro funções definidas pela programação: 
Ligar: Fecha o contato Normalmente Aberto (NA) abrindo o Normalmente Fechado (NF).
Desligar: Abre o contato Normalmente Aberto (NA) fechando o Normalmente Fechado (NF).
Inverter: Inverte os contatos NA e NF do relé.
Pulsar: Fecha o contato Normalmente Aberto (NA) por um período de 300ms abrindo-o em seguida. [18]
Figura 8 – Rele 8 canais
III – Projeto desenvolvido
A estrutura da estufa foi projetada e montada com cantoneiras de aço carbono, e as coberturas laterais “plástico” fixadas com fitas dupla face.
Na parte interna para alocar as mudas das plantas optamos por utilizar tubulação de PVC, por ser um material fácil de trabalhar e que atende os requisitos necessários, adotando o formato de bancada apoiado sobre suportes de madeira tratada.
No software LabView foi desenvolvido um sistema supervisório que coleta e processa os dados da estufa, como umidade, temperatura, PH, luminosidade e nível de água, além disso o usuário tem a possibilidade de monitorar todo o sistema em tempo real.o
IV – Análise e Discussões
Para funcionamento do sistema automático da estufa definimos um sistema de entrada de dados, para cada variável a ser controlada, foram aplicados sensores para as medições. Os dados iniciais foram definidos teoricamente, porem existe a necessidade de testes e simulações para obtermos resultados mais corretos.
Figura 5 – Controle de Temperatura
Figura 6 – Alarme via e-mail
V – Conclusões 
Conforme análise adquirida, o sistema feito em LabView está programado para controlar de forma adequada a umidade, temperatura mantendo na faixa adequada de 13 a 24ºC para um crescimento saudável das plantas escolhidas, PH mantendo na faixa de 6,0 a 6,8 e luminosidade, portanto o controle das variáveis proposta foram satisfatórios.
Devido à demora na escolha do projeto da estrutura base da estufa gerou um atraso para fase de testes. Outro fator crítico foi a dificuldade em adquirir a parte sensorial, os mesmos foram encontrados para compra apenas via internet. Devíamos ter nos programado com mais antecedência para não ocorrer esses imprevistos.
Referências
[1] http://www.oeco.org.br/noticias/25959-hidroponia-conheca-os-pros-e-contra-nesse-tipo-de-cultivo/ Acesso em 29/10/2015
[2]http://www.revistacampoenegocios.com.br/automacao-na-producao-hidroponica/ Acesso em 29/10/2015
[3] Roberto, K., 2005. How-to Hydroponics. s.l.:Futuregarden Press. 
[4]http://www.medicalmarijuanablog.com/benefits/grow-box-growing.html
[5]http://www.medicalmarijuanablog.com/benefits/grow-box-growing.html
[5] Saaid, M., Yahya, N., MZH, N. & Megat, A. M., 2013. A Development of an Automatic Microcontroller System for Deep Water Culture (DWC). s.l., s.n., pp. 328-
332.
[6] LABHIDRO – Laboratório de Hidroponia. Disponível em: http://www.labhidro.cca.ufsc.br. Acesso em 29/10/2015
[7] http://www.revistarural.com.br/edicoes/item/6241-hidroponia-lavoura-sem-terra Acesso em 29/10/2015
 [8]Santos, R. M. P. M., 2008. Estação Multisensorial para Estufas Agrícolas, Braga:s.n. Acesso em 29/10/2015
[9] http://www.ni.com/labview/pt/ Acesso em 29/10/2015
[10]https://jornalagricola.wordpress.com/2011/07/16/salsinha-e-cebolinha/ Acesso em 02/11/2015
[11] http://hortas.info/como-plantar-cebolinha-verde / Acesso em 02/11/2015
[12]http://www.zemoleza.com.br/trabalho-academico/outras/diversos/a-cultura-da-salsa/ Acesso em 02/11/2015
[13]http://flipmu.com/work/chronome/changing-the-serial-number/
[14]https://fbseletronica.wordpress.com/2014/05/01/tutorial-arduino-sensor-de-luminosidade-ldr/ Acesso em 02/11/2015
[15]http://flipmu.com/work/chronome/changing-the-serial-number/ Acesso em 02/11/2015
[16] http://www.institutodigital.com.br/pd-24b6c2-sensor-de-fluxo-e-vazao-de-agua-1-2-yf-s201.html Acesso em 02/11/2015
[17] http://www.webtronico.com/sensor-de-umidade-dht111.html Acesso em 02/11/2015
[18]http://www.neocontrol.com.br/downloads/NeocModule_Manual_Completo.pdf Acesso em 02/11/2015