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Smart Farming – Agricultura automatizada e conectada

Como drones, robôs agrícolas e a Internet das Coisas mudarão a maneira como produzimos alimentos.

Atualmente, existem mais humanos na Terra do que nunca – 7,3 bilhões – e esse número ainda está crescendo, com projeções da ONU de que atingirá 9,7 bilhões em 2050. Uma população dessa magnitude traz muitos desafios, como a produção de alimentos. A Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação prevê que precisamos aumentar a produção mundial de alimentos em 70% nas próximas décadas, a fim de alimentar a população prevista para 2050.

Aumentar a produção nesse nível não é fácil, mas os engenheiros e agricultores de hoje estão trabalhando juntos para criar uma solução tecnológica: agricultura de precisão e a “fazenda inteligente” (Smart Farming).

A agricultura é a indústria mais antiga, mas certamente não é estranha às mudanças tecnológicas. As revoluções industriais dos séculos 19 e 20 substituíram ferramentas manuais e arados puxados por cavalos por motores a combustão e fertilizantes químicos.

Agora, estamos prestes a testemunhar outra mudança fundamental na agricultura, graças a uma nova revolução industrial e às tecnologias da Indústria 4.0.

O que é o Smart Farm?

A agricultura inteligente e a agricultura de precisão envolvem a integração de tecnologias avançadas às práticas agrícolas existentes, a fim de aumentar a eficiência da produção e a qualidade dos produtos agrícolas. Como um benefício adicional, eles também melhoram a qualidade de vida dos trabalhadores do campo, reduzindo o trabalho pesado e as tarefas tediosas.

“Como será uma fazenda daqui a 50 a 100 anos?” é a pergunta feita por David Slaughter, professor de engenharia biológica e ambiental da UC Davis . “Temos que abordar o crescimento populacional, as mudanças climáticas e as questões trabalhistas, e isso trouxe muito interesse para a tecnologia”.

Quase todos os aspectos da agricultura podem se beneficiar dos avanços tecnológicos – desde o plantio e a irrigação até a saúde e a colheita. A maioria das tecnologias agrícolas atuais e iminentes se enquadra em três categorias que devem se tornar os pilares da fazenda inteligente: robôs autônomos, drones ou UAVs e sensores e a Internet das Coisas (IoT).

Como essas tecnologias já estão mudando a agricultura e que novas mudanças elas trarão no futuro

Trabalho autônomo e robótico

Substituir o trabalho humano pela automação é uma tendência crescente em vários setores, e a agricultura não é exceção. A maioria dos aspectos da agricultura é excepcionalmente trabalhosa, com grande parte desse trabalho composto de tarefas repetitivas e padronizadas – um nicho ideal para robótica e automação.

Já estamos vendo robôs agrícolas – ou AgBots – começando a aparecer em fazendas e executando tarefas que vão desde plantio e irrigação, até colheita e classificação. Eventualmente, essa nova onda de equipamentos inteligentes permitirá produzir mais e mais alimentos de qualidade com menos mão de obra.

Tratores sem motoristas

O trator é o coração de uma fazenda, usado para muitas tarefas diferentes, dependendo do tipo de fazenda e da configuração de seu equipamento auxiliar. À medida que as tecnologias de direção autônoma avançam, espera-se que os tratores se tornem algumas das primeiras máquinas a serem convertidas.

Nos estágios iniciais, ainda será necessário esforço humano para configurar mapas de campos e limites, programar os melhores caminhos de campo usando o software de planejamento de traçados e decidir outras condições operacionais. Os seres humanos também serão necessários para reparos e manutenção regulares.

No entanto, os tratores autônomos se tornarão mais capazes e autossuficientes ao longo do tempo, especialmente com a inclusão de câmeras e sistemas de visão de máquina adicionais, GPS para navegação, conectividade IoT para permitir monitoramento e operação remotos e radar e LiDAR para detecção e prevenção de objetos. Todos esses avanços tecnológicos diminuirão significativamente a necessidade de os seres humanos controlarem ativamente essas máquinas.

De acordo com a CNH Industrial , uma empresa especializada em equipamentos agrícolas que visualizou um trator autônomo conceito em 2016: “No futuro, esses tratores conceituais poderão usar ‘big data’, como informações meteorológicas em tempo real por satélite para fazer automaticamente o melhor uso das condições ideais, independente da contribuição humana e independentemente da hora do dia. ”

Semeadura e plantio

A semeadura já foi um processo manual e trabalhoso. A agricultura moderna melhorou isso com as máquinas de plantio, que podem cobrir terrenos maiores e de forma muito mais rápida do que um ser humano. No entanto, eles costumam usar um método de dispersão que pode ser impreciso e desperdiçar quando as sementes caem fora do local ideal. A semeadura efetiva requer controle sobre duas variáveis: plantar sementes na profundidade correta e espaçar as plantas na distância apropriada para permitir o crescimento ideal.

O equipamento de semeadura de precisão é projetado para maximizar essas variáveis sempre. A combinação de dados georreferenciados e um sensor que detalhe a qualidade do solo, densidade, umidade e níveis de nutrientes podem extrair muitas informações do processo de semeadura, com isso as sementes têm a melhor chance de brotar e crescer e a colheita geral terá uma produtividade maior.

À medida que a agricultura avança no futuro, as semeadoras de precisão existentes se reunirão com tratores autônomos e sistemas habilitados para IoT que devolvem informações ao agricultor. Um campo inteiro pode ser plantado dessa maneira, com apenas um humano monitorando o processo em um feed de vídeo ou painel de controle digital em um computador ou tablet, enquanto várias máquinas rolam pelo campo.

Irrigação automática

A Irrigação por Gotejamento Subterrâneo (IDE) já é um método de irrigação predominante que permite que os agricultores controlem quando e quanta água suas colheitas recebem. Ao emparelhar esses sistemas SDI com sensores cada vez mais sofisticados habilitados para IoT para monitorar continuamente os níveis de umidade e a saúde das plantas, os agricultores poderão intervir apenas quando necessário, permitindo que o sistema opere autonomamente.

Embora os sistemas SDI não sejam exatamente robóticos, eles podem operar de forma totalmente autônoma em um contexto de fazenda inteligente, contando com dados de sensores implantados nos campos para realizar a irrigação conforme necessário.

Manutenção de Culturas

A remoção de ervas daninhas e o controle de pragas são aspectos críticos da manutenção da planta e tarefas perfeitas para robôs autônomos. Alguns protótipos já estão sendo desenvolvidos, incluindo Bonirob, da Deepfield Robotics, e um cultivador automatizado que faz parte da iniciativa de pesquisa da UC Davis Smart Farm .

O robô Bonirob é do tamanho de um carro e pode navegar autonomamente através de um campo de cultivo usando vídeo, LiDAR e GPS por satélite. Seus desenvolvedores estão usando o aprendizado de máquina para ensinar o Bonirob a identificar ervas daninhas antes de removê-las. Com o aprendizado de máquina avançado, ou mesmo a inteligência artificial (AI) sendo integrada no futuro, máquinas como essa podem substituir inteiramente a necessidade de humanos capinarem manualmente ou monitorarem as culturas.

O protótipo da UC Davis funciona um pouco diferente. O cultivador é rebocado atrás de um trator e equipado com sistemas de imagem que podem identificar um corante fluorescente com o qual as sementes são revestidas quando plantadas e que são transferidas para as plantas jovens à medida que elas brotam e começam a crescer. O cultivador corta as ervas daninhas não brilhantes.

O robô agrícola Bonirob

Embora esses exemplos sejam robôs projetados para remoção de ervas daninhas, a mesma máquina base pode ser equipada com sensores, câmeras e pulverizadores para identificar pragas e aplicação de inseticidas.

Esses robôs e outros como eles não estarão operando isolados em fazendas do futuro. Eles serão conectados a tratores autônomos e à IoT, permitindo que toda a operação funcione praticamente sozinha.

Independente do tipo de colheita

A colheita depende de saber quando o produto final está pronto, trabalhando de acordo com o clima e concluindo a colheita na janela limitada de tempo disponível. Atualmente, existe uma grande variedade de máquinas em uso na colheita, muitas das quais seriam adequadas para automação no futuro.

As ceifeiras-debulhadoras tradicionais, forrageiras e especializadas podem se beneficiar imediatamente da tecnologia de trator autônomo para atravessar os campos. Adicione tecnologia mais sofisticada com sensores e conectividade IoT, e as máquinas poderão iniciar a colheita automaticamente assim que as condições forem ideais, liberando o agricultor para outras tarefas.

Desenvolver tecnologia capaz de trabalhos delicados de colheita, como colher frutas de árvores ou vegetais, como tomates, é onde as fazendas de alta tecnologia realmente brilham. Os engenheiros estão trabalhando para criar os componentes robóticos certos para essas tarefas sofisticadas, como o robô de colheita de tomate da Panasonic, que incorpora câmeras e algoritmos sofisticados para identificar a cor, a forma e a localização de um tomate para determinar sua maturação.

Este robô pega tomates pelo caule para evitar machucados, mas outros engenheiros estão tentando projetar efetores finais robóticos que serão capazes de segurar delicadamente frutas e vegetais com força suficiente para colher, mas não com tanta força que causem danos.

Outro protótipo para a colheita de frutas é o robô movido a vácuo da Abundant Robotics, que usa a visão computacional para localizar maçãs na árvore e determinar se elas estão prontas para a colheita.

Essas são apenas algumas das dezenas de projetos robóticos em desenvolvimento que em breve assumirão o trabalho de colheita. Mais uma vez, com a espinha dorsal de um sistema robusto de IoT, esses agbots podiam patrulhar continuamente os campos, verificar as plantas com seus sensores e colher culturas maduras, conforme apropriado.

Redução de mão de obra, aumento de rendimento e eficiência

O conceito central de incorporar a robótica autônoma na agricultura continua sendo o objetivo de reduzir a dependência do trabalho manual, enquanto aumenta a eficiência, o rendimento e a qualidade do produto.

Diferentemente de seus antepassados, cujo tempo era ocupado principalmente por trabalho pesado, os agricultores do futuro passarão seu tempo realizando tarefas como reparar máquinas, depurar códigos de robôs, analisar dados e planejar operações agrícolas.

Como observado em todos esses agbots, é essencial ter uma espinha dorsal robusta de sensores e IoT incorporada à infraestrutura da fazenda. A chave para uma fazenda verdadeiramente “inteligente” depende da capacidade de todas as máquinas e sensores poderem se comunicar entre si e com o agricultor, mesmo quando operam de forma autônoma.

Drones para geração de imagens, plantio e muito mais

Que agricultor não gostaria de ter uma visão panorâmica de seus campos? Onde antes era necessário contratar um helicóptero ou piloto de pequena aeronave para sobrevoar uma propriedade tirando fotografias aéreas, os drones equipados com câmeras agora podem produzir as mesmas imagens por uma fração do custo.

Além disso, os avanços nas tecnologias de imagem significam que você não está mais limitado à luz visível e à fotografia. Estão disponíveis sistemas de câmera que abrangem tudo, desde imagens fotográficas padrão até imagens infravermelhas, ultravioletas e até hiperespectrais. Muitas dessas câmeras também podem gravar vídeo. A resolução da imagem em todos esses métodos de imagem também aumentou, e o valor de “alto” em “alta resolução” continua a aumentar.

Todos esses tipos diferentes de imagens permitem a os agricultores coletar dados mais detalhados do que nunca, aprimorando suas capacidades para monitorar a saúde das culturas, avaliar a qualidade do solo e planejar os locais de plantio para otimizar os recursos e o uso da terra. A capacidade de realizar regularmente essas pesquisas de campo melhora o planejamento dos padrões de plantio de sementes, irrigação e mapeamento de localização em 2D e 3D. Com todos esses dados, os agricultores podem otimizar todos os aspectos de seu manejo de terras e culturas.

Mas não são apenas as câmeras e os recursos de imagem que causam um impacto assistido por drones na esfera agrícola – os drones também estão sendo usados no plantio e na pulverização.

Plantando do ar

Drones protótipos estão sendo construídos e testados para uso em semeadura e plantio para substituir a necessidade de trabalho manual. Por exemplo, várias empresas e pesquisadores estão trabalhando em drones que podem usar ar comprimido para disparar cápsulas contendo vagens de sementes com fertilizantes e nutrientes diretamente no solo.

A DroneSeed e a BioCarbon são duas dessas empresas, ambas desenvolvendo drones que podem transportar um módulo que lança sementes de árvores no chão em locais ideais. Embora atualmente sejam projetados para projetos de reflorestamento, não é difícil imaginar que os módulos possam ser reconfigurados para se adequar a várias sementes agrícolas. Com a IoT e o software para operação autônoma, uma frota de drones poderia concluir o plantio extremamente preciso nas condições ideais para o crescimento de cada cultura, aumentando as mudanças para um crescimento mais rápido e um maior rendimento da cultura.

Pulverização de culturas

Atualmente, também existem drones disponíveis e em desenvolvimento para aplicações de pulverização de culturas, oferecendo a chance de automatizar mais uma tarefa que exige muito trabalho. Usando uma combinação de GPS, medição a laser e posicionamento ultrassônico, os drones de pulverização de culturas podem se adaptar facilmente à altitude e localização, ajustando-se a variáveis como velocidade do vento, topografia e geografia. Isso permite que os drones realizem tarefas de pulverização de culturas com mais eficiência, com maior precisão e menos desperdício.

Por exemplo, a DJI oferece um drone chamado Agras MG-1 projetado especificamente para pulverização de culturas agrícolas, com uma capacidade de tanque de 10 litros de pesticida líquido, herbicida ou fertilizante e um alcance de vôo de sete a dez acres por hora. O radar de microondas permite que esse drone mantenha a distância correta das lavouras e garanta uma cobertura uniforme. Segundo a DJI, ele pode operar automaticamente, semiautomático ou manual.

Trabalhando em conjunto com outros agbots, as culturas identificadas como necessitadas de atenção especial podem receber uma visita personalizada do drone mais próximo ao primeiro sinal de problema. Ser capaz de prestar atenção individualizada a qualquer parte do campo assim que necessário, pode ajudar a parar muitos problemas antes que eles se espalhem.

Monitoramento e análise em tempo real

Uma das tarefas mais úteis que os drones podem executar é o monitoramento e análise remotos de campos e culturas. Imagine os benefícios de usar uma pequena frota de drones em vez de uma equipe de trabalhadores passar horas em pé ou em um veículo viajando de um lado para o outro pelo campo para verificar visualmente as condições da colheita.

É aqui que a fazenda conectada é essencial, pois todos esses dados precisam ser considerados úteis. Os agricultores podem revisar os dados e apenas fazer viagens pessoais aos campos quando houver um problema específico que precise de atenção, em vez de perder tempo e esforço cuidando de plantas saudáveis.

Dado que os drones para uso agrícola ainda estão no início de sua evolução, há algumas desvantagens. Os intervalos e os tempos de vôo não são tão robustos quanto muitos cultivos precisariam – atualmente, mesmo os drones mais longos atingem cerca de uma hora de tempo antes de precisar retornar e recarregar.

As despesas de capital também são bastante altas, chegando a US $ 25.000 por drone para algo como o PrecisionHawk Lancaster. Existem modelos menos caros, mas eles podem não vir com o equipamento de imagem ou de pulverização necessário.

A fazenda conectada: sensores e IoT

Agbots e drones autônomos e inovadores são úteis, mas o que realmente tornará a futura fazenda uma “fazenda inteligente” será o que unirá toda essa tecnologia: a Internet das Coisas.

A IoT tornou-se um termo abrangente para a idéia de ter computadores, máquinas, equipamentos e dispositivos de todos os tipos conectados uns aos outros, trocar dados e se comunicar de maneiras que lhes permitam operar como o chamado ” sistema inteligente. Já estamos vendo as tecnologias de IoT em uso de várias maneiras, como dispositivos domésticos inteligentes e assistentes digitais, fábricas inteligentes e dispositivos médicos inteligentes.

As fazendas inteligentes terão sensores incorporados em todas as etapas do processo agrícola e em cada peça de equipamento. Os sensores instalados nos campos coletarão dados sobre níveis de luz, condições do solo, irrigação, qualidade do ar e clima. Esses dados retornam ao agricultor ou diretamente ao AgBots no campo.

As equipes de robôs percorrerão os campos e trabalharão autonomamente para responder às necessidades das culturas, além de desempenhar funções de capina, rega, poda e colheita, guiadas por sua própria coleção de sensores, dados de navegação e colheita. Os drones percorrerão o céu, obtendo uma visão panorâmica da saúde das plantas e das condições do solo, ou gerando mapas que guiarão os robôs e ajudarão os agricultores humanos a planejar os próximos passos da fazenda. Tudo isso ajudará a criar maior produção agrícola e maior disponibilidade e qualidade dos alimentos.

A BI Intelligence compartilhou suas previsões de que os dispositivos IoT instalados na agricultura aumentarão de 30 milhões em 2015 para 75 milhões em 2020. Sob essa tendência, as fazendas conectadas devem gerar até 4,1 milhões de pontos de dados por dia em 2050 – acima de meros 190.000 em 2014.

Essa quantidade de dados e outras informações geradas pela tecnologia agrícola e a conectividade que permite que sejam compartilhadas serão a espinha dorsal do futuro da agricultura inteligente. Os agricultores poderão “ver” todos os aspectos de sua operação – quais plantas são saudáveis ou precisam de atenção, onde um campo precisa de água, o que os colhedores estão fazendo – e tomar decisões informadas.

E essa discussão tocou apenas a ponta do iceberg com foco nas culturas vegetativas; existe uma onda de igualdade de adoção de tecnologia inteligente para criação de animais e muitos mais drones e robôs para todos os aspectos da agricultura. Se cada fazenda do país se tornar uma fazenda inteligente, atingir esse aumento de 70% na produção de alimentos é uma certeza.

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O BIM e a Internet das Coisas (IoT)

Com a popularização e fácil acesso à Internet das Coisas, seja através de kits Arduino ou Raspberry, começamos a finalmente ver aplicações práticas e muito importantes dessa nova tecnologia, com grande viabilidade comercial.

Agora, já pensou o que aconteceria se nós resolvermos misturar o BIM a IoT? Já imaginou monitorar em tempo real a temperatura, umidade, níveis de dióxido de carbono e de iluminação nos ambientes através de interfaces modernas e interativas?

Em tempos de massificação do acesso à internet e às tecnologias, criar um dispositivo IoT está se tornando cada vez mais barato e fácil, afinal, o que não falta é conteúdo e repositórios na internet para os mais diversos projetos.

E com isso, aplicações cada vez mais práticas vem surgindo no mercado, como o desenvolvimento de redes de sensores e sistemas sofisticados de controle de edifícios coletando milhares de dados por segundo.

E o que isso tem a ver com o BIM?

Bom, através do IoT em conjunto com o IFC, podemos monitorar o edifício de forma visual e interativa, ajustando os níveis de resfriamento dos ambientes de forma automática a medida que as pessoas se reúnem num ambiente, juntamente com a posição do sol durante o dia em relação ao edifício e a concentração de dióxido de carbono neste local.

Os sistemas também podem monitorar o nível da luz natural no ambiente e regular as luzes artificiais para que um nível satisfatório de iluminação, como exemplo pela NBR 15575, seja atendido, garantindo o conforto dos ocupantes.

Toda essa coleta de dados também pode criar um mapa de calor durante um período estipulado, para que medidas de retrofit visando o desempenho térmico sejam atendidas. E não só o conforto térmico, mas os relatórios de iluminação e sonoro também podem ser registrados.

Além disso, estes dados podem ser sincronizados com poderosas ferramentas de leitura e visualização de forma amigável e interativa, como o Power BI da Microsoft, e o melhor, tudo através da nuvem, sem precisar de um servidor local!

Não seria bacana você visualizar a planta do seu imóvel na tela de um dispositivo como a Alexa da Amazon te informando todos estes parâmetros da sua residência? Até mesmo informando sobre a umidade da terra em seu jardim?

Mas as aplicações não param por aí! No canteiro de obras, as etiquetas RFID podem ser coladas às matérias primas, como em cada saco de cimento no estoque e então, a cada vez que alguém retirar o suprimento do armazém, o saco passaria por um leitor RFID que em tempo real, removeria do estoque este componente.

Essas são apenas algumas das maneiras interessantes pelas quais a indústria da construção está aprendendo a ser mais sustentável com a ajuda da IoT.