TCC: Monitoramento e controle de um sistema de aquicultura doméstico
- Victor Manoel Araújo
- 16 de nov.
- 6 min de leitura
Discente: Samuel Santos de Oliveira
Orientador: Prof. Dr. Daniel Costa Ramos
Título: Monitoramento e controle de um sistema de aquicultura doméstico.
Este Trabalho de Conclusão de Curso feito pelo Samuel Santos de Oliveira tem como objetivo desenvolver um sistema econômico que resolva problemas de monitoramento da qualidade da água, gestão dos sistemas de abastecimento e monitoramento de peixes usando ferramentas, dispositivos e sensores tecnológicos de baixo custo. Para a elaboração do protótipo, foram utilizadas estruturas com conectividade Wi-Fi que se comunicam com estruturas cloud, responsáveis por armazenar os dados dos sensores em banco de dados.
Introdução
O grande desafio do século XXI, para o desenvolvimento sustentável, está relacionado aos problemas de crescimento populacional, desigualdade social, métodos de produção ineficientes, insustentáveis e o uso de matrizes energéticas não sustentáveis.
A temática do desenvolvimento sustentável aborda os problemas relacionados ao meio ambiente e as mudanças climáticas provocadas pelo homem, principalmente através do acúmulo de gases de efeito estufa, que têm origem na queima de combustíveis fósseis como carvão, petróleo e gás natural. Mas outras atividades também contribuem para o acúmulo de gases, como desmatamento, queimadas, indústria e agricultura.
A ONU prevê que o mundo alcance uma população de dez bilhões de pessoas em 2050 e esse crescimento provocará um aumento de consumo per capita de produtos, expansão de cidades e aumento de consumo de energia. Um grande desafio para o mundo seria suprir essa demanda, dada a incapacidade atual de atender as necessidades futuras do ser humano de modo sustentável e eficiente, olhando principalmente para matrizes energéticas e a agroindústria.
A partir deste contexto o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento e implantação de um sistema de controle e monitoramento de um conjunto produtivo de aquicultura familiar capaz de promover o aumento da produtividade e eficiência energética monitorando o sistema produtivo (qualidade da água, controle de alimentação e análise do pescado) com uma boa experiência de usuário com gráficos e notificações para o usuário final por meio de uma aplicação web.
Materiais e Métodos
O trabalho de monitoramento e controle de um sistema de aquicultura doméstico, será constituído por dois tanques de criação, tanque reservatório (Sump), decantador e filtro mecânico. E serão definidas estruturas de tecnologia no sistema de aquicultura: estrutura de monitoramento de qualidade da água e estrutura de controle do sistema de abastecimento.
A Estrutura de controle de abastecimento conta com sensores de ultrassom para verificar o nível de água no sistema e atuadores para realizar a atuação programada de bombas de aeração no tanque Sump. A Estrutura de qualidade da água, conta com sensores de pH, temperatura e turbidez para verificar os níveis de qualidade da água do tanque de criação de peixes.
As estruturas tecnológicas serão controladas e interligadas através do microcontrolador ESP32, e sua escolha é devido a sua versatilidade, baixo custo, saídas digitais e analógicas e conexão Wi-Fi, a configuração do microcontrolador será realizada usando a IDE do Arduino. O microcontrolador será responsável por receber as informações dos sensores e atuadores e enviá-las via Wi-Fi para o sistema em nuvem. Com os dados armazenados será desenvolvido dashboards para visualização e controle da operação de criação de peixes.
Figura 1 - Idealização modelo proposto de aquicultura.
Este trabalho propôs a implementação de um sistema integrado para monitoramento da qualidade da água e controle do abastecimento. A metodologia adotada envolveu inicialmente uma fase de ideação, na qual foram identificados os requisitos mínimos para a construção do protótipo. Esses requisitos abrangeram tanto as características físicas quanto funcionais do sistema.
Posteriormente, foi estabelecido o tipo de cultura (pescado) que seria alvo dos testes iniciais, e decidiu-se pela cultura de Tilápias devido ao extenso material público que existe na literatura e por ser um peixe que se adapta bem ao clima brasileiro.
1) Planejamento:
O sistema proposto foi dividido em duas estruturas principais: a estrutura de monitoramento da qualidade da água e a estrutura de controle de abastecimento. A escolha deste arranjo para criação de pescado foi orientada com o objetivo de desenvolver uma solução que atenda às necessidades dos pequenos produtores.
Para a implementação do sistema, foi desenvolvida uma infraestrutura local que utiliza roteadores Wi-Fi, sensores de temperatura, sensores ultrassônicos, sensor de pH e sensor de turbidez, relés, sensor de fluxo e um sistema de gerenciamento de banco de dados.
2) Construção do tanque:
Foi planejada a implementação de um tanque de circulação juntamente com toda a estrutura do sistema de aquicultura destinado à produção de pescado. Além disso, foi proposto a integração das estruturas de controle de qualidade de água e a estrutura do sistema de abastecimento ao conjunto de aquicultura.
Figura 2 - Sistema de aquicultura final.
3) Configuração dos sensores:
Foram conduzidos testes rigorosos dos sensores e atuadores presentes tanto na estrutura de controle de qualidade da água quanto na estrutura de controle do sistema de abastecimento.
Após a realização desses testes e verificações, os sensores se mostraram aptos a monitorar os indicadores de qualidade da água na estrutura designada para tal. Além disso, eles também permitiram ser capazes de gerenciar a estrutura de abastecimento em conjunto com os atuadores.
Figura 3 - Diagrama dos sensores.
4) Comunicação dos sensores e estrutura de dados:
A arquitetura do sistema foi proposta em torno do ESP32, um componente eletrônico que facilita a conectividade do sistema. Este dispositivo, durante o período de análise, estava integrado à rede Wi-Fi estabelecendo uma conexão direta com uma estrutura de banco de dados.
Esta estrutura foi alocada em uma aplicação SharePoint da Microsoft, proporcionando uma plataforma robusta e confiável para o gerenciamento de dados. O modelo de banco de dados adotado para este sistema foi o SharePoint List. Adicionalmente, o Firebase Realtime Database foi empregado para o armazenamento e sincronização instantânea dos dados coletados.
Figura 4 - Visualização de dados dos módulos.
5) Tratamento e visualização de dados:
Os dados dos sensores foram coletados, armazenados e submetidos a um processo de tratamento para garantir a precisão e relevância das informações. Para validar os dados de temperatura, umidade e pluviosidade obtidos pelo protótipo, foi utilizada a base de dados climáticos do INMET para comparação. Após o tratamento, os dados são apresentados de forma clara e concisa em um dashboard na aplicação Power BI, permitindo uma fácil interpretação e análise.
Figura 5 - Página inicial do Fish Tank.
Resultados
Após a fase de implementação prática do sistema de aquicultura, o qual foi projetado para monitorar variáveis como o pH, fluxo acumulado e o nível da água do tanque, as informações coletadas por estes módulos são transmitidas, para o banco de dados Firebase, permitindo análises e suportando à tomada de decisões sobre o sistema de aquicultura.
Com o início do funcionamento do módulo, o sistema passou a adquirir dados relevantes para o acompanhamento do sistema, como as medições do pH da água, fluxo acumulado e medição do nível de água no tanque. Simultaneamente, o sistema de reabastecimento automático mostrou-se funcional em partes, sendo acionado quando o sensor ultrassônico indicou que o nível de água no tanque estava inferior ao estipulado.
Os valores médios de distância, fluxo e pH são apresentados de forma concisa, juntamente com seus respectivos limites. O gráfico de linhas subsequente ilustra a tendência diária dessas médias ao longo do tempo.
Figura 6 - Página média do Fish Tank.
Figura 7 - Página Temperatura.
Nos testes realizados, o tempo médio de atualização no Power BI foi de cinco a sete minutos. Esse tempo é necessário para extrair todas as informações do banco de dados e construir um novo modelo a cada ciclo de atualização. A necessidade de processar todos os dados a cada atualização pode limitar a frequência ideal e deve ser considerada, especialmente em cenários com grandes volumes de dados. E para otimizar esse processo em futuras implementações, a exploração de estratégias como a atualização incremental poderia reduzir significativamente o tempo e permitir uma maior frequência de atualização.
O monitoramento do sistema de aquicultura foi contínuo e ininterrupto por um período de 27 dias, garantindo uma coleta robusta de dados. As atualizações na base de dados ocorriam a cada minuto, o que permitiu uma análise detalhada do funcionamento do sistema. Adicionalmente, o período inicial de uso e os momentos de manutenção programada foram marcados por flutuações significativas nos dados coletados do aquário, exigindo atenção especial na interpretação dos resultados.
Conclusão
Durante a execução deste projeto, o objetivo central foi o desenvolvimento de uma solução automatizada e acessível, voltada para o acompanhamento da piscicultura em escala de pequenos produtores. O módulo resultante demonstrou a viabilidade desse propósito, superando desafios como o custo elevado de equipamentos e a necessidade de monitoramento ininterrupto.
A arquitetura implementada utiliza sensores e atuadores para a aquisição de dados relevantes e a execução de operações autônomas no cultivo dos peixes. Essa estratégia dispensa a necessidade de intervenção humana direta, otimizando o processo e minimizando a ocorrência de equívocos. A visualização dos dados coletados é realizada de maneira simplificada e intuitiva, permitindo a análise detalhada do crescimento e desenvolvimento dos peixes.
Os dados coletados permitiram inferir que a atividade dos peixes atingia seu ápice ao meio-dia, coincidindo com os picos de temperatura e iluminação. Este comportamento pode ser interpretado como uma reação ao estresse ambiental, indicando a necessidade de futuras investigações. Seria particularmente interessante conduzir uma análise em condições inversas, ou seja, em uma faixa de temperatura significativamente menor, para avaliar a resposta fisiológica e comportamental dos peixes em um cenário de menor estresse térmico, o que poderia otimizar as estratégias de manejo e bem-estar animal na aquicultura.
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