Previsibilidade hídrica para agricultores com solução da Espectro apoiada pelo PIPE-FAPESP

Autor: Victor Campanate - Data: 14/10/2024

Como usar a água de forma inteligente na irrigação sem a certeza de que o reservatório tem o volume necessário? E o regime de chuvas, será suficiente? A quantidade de água utilizada está em conformidade com as normas dos órgãos de controle de recursos hídricos? Responder a essas perguntas é o objetivo do projeto desenvolvido em Campinas pela Espectro, com apoio do programa Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (PIPE) da FAPESP.

Iniciado em dezembro de 2022, o projeto visa proporcionar ao agricultor uma previsibilidade de estoque hídrico na bacia que utiliza em um horizonte de seis meses. Isso permite que o agricultor se programe, investindo em reserva de água, alterando a cultura planejada ou tomando outras decisões.

Em tempos de mudanças climáticas e variações no regime de chuvas, a previsibilidade oferecida pelo projeto ajuda a manter a qualidade da produção, mesmo em situações de crise hídrica, como a que ocorreu em São Paulo em 2021, quando municípios bloquearam bombas de irrigação para direcionar água ao consumo humano.

Para a fase 2 do PIPE, a Espectro propôs estudar regimes de chuva em bacias selecionadas, usando informações de previsão de tempo, imagens de satélite, histórico dos reservatórios e um algoritmo de inteligência artificial (IA) para modelar a dinâmica do reservatório.

Chamado PalmaFlex UmiSolo-Total, o projeto é um módulo da plataforma de internet das coisas (IoT) PalmaFlex UmiSolo, lançada em 2019 para monitorar em tempo real a água disponível no solo e fornecer recomendações de irrigação.

No módulo inicial, sensores instalados no solo a diferentes profundidades captam dados que são enviados para um banco de dados na nuvem. A plataforma web correlaciona esses dados com outras informações e apresenta os resultados em gráficos, tabelas e alarmes, facilitando o trabalho dos agricultores.

Comunicação de dados
A Espectro foi fundada pelos engenheiros Adilson Chinatto e Cynthia Junqueira, com o objetivo de desenvolver uma solução completa de comunicação de dados para a agricultura e a indústria. A plataforma PalmaFlex foi criada para monitorar e comunicar dados no campo, utilizando um núcleo comum de receptor e transmissor de sinal por radiofrequência.

No módulo de medição de umidade do solo, os sensores enviam dados para um coletor alimentado por bateria interna e energia solar. O coletor transmite a informação para a nuvem, onde os cálculos são realizados e os resultados podem ser acessados online.

A Espectro também desenvolveu um concentrador ou gateway baseado em LoRa, capaz de cobrir 3 mil hectares, ideal para propriedades de médio porte. O coletor de dados é instalado junto aos sensores no campo e transmite informações autonomamente.

Evolução do sistema
O sistema evoluiu conforme a demanda dos clientes, que queriam monitoramento agro meteorológico e da infraestrutura da fazenda, como correntes elétricas de motores e bombas. A PalmaFlex agora inclui alertas para eventos como falhas em bombas de irrigação e permite o monitoramento de poços artesianos, otimizando a gestão hídrica e a manutenção dos equipamentos.

A plataforma PalmaFlex é customizável, adaptando-se a diferentes realidades de produtores rurais. No módulo de irrigação, por exemplo, o cliente fornece informações sobre métodos e equipamentos utilizados, além de dados da cultura e do solo, para calcular quando e quanto irrigar. O software de inteligência de negócios (BI) exibe os resultados em gráficos e tabelas, que podem ser exportados para planilhas.

Módulos e aplicações
A plataforma PalmaFlex conta com módulos para agricultura, conforto animal, qualidade da água, indústria e previsão de reservação. Este último, desenvolvido parcialmente com apoio do PIPE, já está em funcionamento e disponível comercialmente.

O módulo monitora o nível de reservatórios de água e vinhaça, evitando derramamentos no solo e garantindo uma operação em conformidade com normas ambientais. A solução ajuda a racionalizar o uso da vinhaça na fertirrigação, reduzindo custos e garantindo eficiência.

Denominado ecossistema PalmaFlex Total, o projeto reúne todas as funcionalidades da plataforma, oferecendo novos monitoramentos e previsões para otimizar a gestão hídrica e agrícola.

Novos Sensores e Inovações
Além do módulo de Previsão de Preservação, uma segunda vertente do projeto PIPE em andamento é o desenvolvimento de sensores mais simples e precisos. Um deles é o sensor de nível de reservatório. Além de sua aplicação em tanques de vinhaça, vários foram instalados em reservatórios estratégicos para acompanhamento e coleta de dados para alimentar os algoritmos de inteligência artificial que a empresa está desenvolvendo.

Outro equipamento, em fase final de desenvolvimento e ensaios em laboratório, é um novo sensor de umidade do solo que permitirá coleta de dados em várias profundidades utilizando apenas uma haste. Ele pode funcionar com o coletor de dados de cinco portas atual ou transmitir as informações via radiofrequência com o protocolo PalmaFlex de forma autônoma.

O diferencial desse projeto, segundo os sócios da Espectro, reside na integração de módulos de sensoriamento local, remoto e algoritmos de previsão climática para o cálculo e estimação futura do balanço hídrico e oferta de água em toda uma bacia hidrográfica que alimente sistemas de irrigação. A empresa já tem experiência no levantamento do balanço hídrico local com apoio de sensores de solo e climáticos, graças aos módulos destinados à agricultura já comercializados.

"Estimamos a profundidade da raiz, que absorve a água do solo, e com essas informações e a leitura do sensor fornecemos o painel de alertas, que informa qual é a quantidade de água disponível e mostra a evolução do armazenamento de água dia a dia", diz Chinatto.

Da mesma forma, a empresa já atua no fornecimento de informações climáticas para a pulverização, tanto em termos de temperatura, umidade relativa e velocidade do vento quanto em delta T, uma informação importante para o agrônomo, que indica as condições próprias ou impróprias para a atividade.

Desafios e Inovações Regionais
O desafio proposto no projeto PIPE é incrementar essas técnicas para que passem a gerar informações regionalizadas em vez de localizadas. Para tanto, é necessário trabalhar em um ambiente multiplataforma e com integração de sensores, fusão de dados, modelamento e elaboração de algoritmos de aprendizado de máquina e inteligência artificial.

Equipe de Alto Nível
Missões complexas exigem cérebros à altura para realizá-las.

"Encontrar as pessoas adequadas foi difícil, mas conseguimos trazer para o projeto dois doutorandos da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas): Marcos Ricardo Covre e Douglas Henrique Siqueira Abreu", conta Junqueira.

Os pesquisadores trabalham na elaboração de algoritmos, no teste e na validação. Covre avalia os trabalhos teóricos e práticos existentes, mantendo contato com pesquisadores da Embrapa Cerrados, por exemplo, que fizeram um levantamento aprofundado da dinâmica de reservatórios usados em irrigação em várias regiões. Abreu dedica-se à correlação dos bancos de dados disponíveis para viabilizar o fornecimento de informações para o irrigante.

Além disso, Covre trabalha na modelagem matemática do balanço hídrico, uma forma de contabilizar as entradas e saídas de água de um reservatório natural. "Parte do desafio é descobrir a forma do reservatório para medir o volume de água que ele contém e assim fazer a predição para um horizonte de seis meses", diz.

Tecnologia e Inteligência Artificial

Como descobrir o formato e a profundidade, sem estar no local? Esse é o desafio de Abreu, que trabalha na captação de dados com imagens de satélites e outras informações. Unindo análise estatística, definição de precipitações e um modelo de inteligência artificial, a intenção é chegar a uma previsão futura de possíveis áreas de lago. "A ideia é ter um algoritmo mais generalista, que consiga trabalhar com qualquer lago", diz Abreu.

Embora ainda haja mais modelos para trabalhar, mais dados para coletar, mais lagos para aferir e ampliar a generalidade do modelo para obter um bom produto envolvendo inteligência artificial, o modelo atual, segundo Chinatto, já acerta em torno de 80% das variações.

Parcerias e Apoiadores
Além de Covre e Abreu, financiados pela FAPESP, o projeto conta com um bolsista de marketing, pago pelo Sebrae, o engenheiro Fernando Ikedo, que apoia a área comercial. Durante o primeiro ano do projeto, também contou com um engenheiro agrônomo, José Matheus de Britto, que colaborou nas análises agronômicas e especificações de ensaios do novo sensor de solo.

Para os sócios da Espectro, sem esses apoios, não seria possível desenvolver o PalmaFlex Total. "Sem a FAPESP, nós não teríamos acesso a profissionais com a bagagem que eles trazem para a empresa. Com eles, o projeto pode ser bem desenvolvido", diz Chinatto.

Objetivos Futuros
O objetivo é colocar o PalmaFlex Total no mercado até o final de 2025, já incluindo as informações relacionadas às autorizações dos órgãos estaduais para o uso de água na irrigação e disponibilidade hídrica.