Development of a variable application rate system for small-scale production

A agricultura de precisão é uma estratégia de manejo das lavouras comumente adotada na agricultura moderna. A sua adoção tem sido impulsionada pela necessidade de otimização do sistema produtivo, buscando a máxima lucratividade para o agricultor. Para a aplicação de insumos são utilizadas máquinas que possuem controladores para aplicação à taxa variada. Esses controladores permitem que a máquina agrícola altere, automaticamente, a taxa de aplicação à medida que se desloca no talhão. Nas máquinas de aplicação à taxa variada com base em mapa, a determinação da quantidade de insumos requer a aquisição de dados do sistema solo-planta, que são analisados e utilizados para gerar os mapas de aplicação. Logo, é importante garantir a confiabilidade e precisão dos dados adquiridos, permitindo que estes possam ser usados nas tomadas de decisões. Máquinas com controladores para aplicação à taxa variada e sistemas de monitoramento estão disponíveis no mercado nacional e internacional. Contudo, o custo de aquisição tem sido uma barreira para a adoção da agricultura de precisão por agricultores de pequena escala. Assim, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver sistemas de baixo custo, contribuindo para que os agricultores de pequena escala possam utilizar a agricultura de precisão. Para se desenvolver um sistema de baixo custo, compatível com a agricultura de pequena escala, componentes de código aberto, como o computador de placa única Beaglebone Black, o módulo GNSS (Sistema Global de Navegação por Satélite) u-blox NEO6M e o módulo GSM (Sistema Global para Comunicações Móveis) SIM800L foram utilizados no presente trabalho. Programas de computador, linguagens de programação e ferramentas de código aberto, como QGIS, Python e PyQt, foram utilizados, dispensado a aquisição de licenças. Um sistema embarcado de análise de dados foi desenvolvido para permitir a filtragem de dados, geração de mapa interpolado e geração de mapa de agrupamento em classes, enquanto o usuário ainda estava em campo. O estudo de caso, realizado com dados de produtividade de soja, confirmou a importância da filtragem dos dados antes da sua utilização em tomadas de decisões. Nesse estudo de caso, o sistema embarcado desenvolvido removeu 29,4% dos dados brutos. O desvio padrão do erro de interpolação reduziu de 1,25 para 0,49 Mg ha -1 , como consequência da limpeza dos dados. Foi observado que dados inconsistentes podem mascarar a variabilidade espacial, o que pode resultar em tomadas de decisões erradas. Para a semeadura à taxa variada, um controlador foi desenvolvido e instalado em uma semeadora manual de precisão. Esse controlador foi utilizado para controlar a velocidade angular do motor elétrico de acionamento do mecanismo dosador de sementes. O ensaio em campo mostrou que a semeadora equipada com o controlador desenvolvido apresentou índice de qualidade de distribuição entre 65,6 e 76,16% quando distribuiu entre 40000 e 70000 plantas ha -1 . Essa qualidade de distribuição é compatível com resultados obtidos em ensaios de outras semeadoras de taxa fixa que adotam o disco horizontal perfurado como mecanismo de distribuição de sementes. Concluiu-se que o controlador foi eficaz em controlar a velocidade angular do motor, com base na densidade de plantas prescrita no mapa, e na posição e velocidade da semeadora. No controlador desenvolvido foi incluído um módulo GSM de baixo custo. Este módulo permitiu enviar os dados da operação para um servidor de armazenamento a cada quatro segundos, possibilitando o monitoramento remoto e em tempo real da operação. A análise dos dados enviados para o servidor permitiu identificar a eficiência de campo da operação e uma falha ocorrida no mecanismo distribuidor de sementes. Palavras-chave: Computador de placa única. Sistemas embarcados. Agricultura de pequena escala. Internet das coisas. Precision agriculture is a crop management strategy commonly adopted in modern agriculture. Its adoption has been driven by the need to optimize the production system, seeking maximum profitability for the farmer. For input application, machines with controllers that allow variable rate application are used. These controllers allow the machine to automatically change the application rate as it moves through the field. For variable rate application based on maps, determination of the quantity of inputs to be applied requires the acquisition of data from the soil-plant system, which are analyzed and used to generate the application maps. Therefore, it is important to guarantee the reliability and accuracy of the acquired data, allowing it to be used in decision making. Machines with controllers for variable rate application and monitoring systems are available in the national and international markets. However, the cost of acquisition has been a barrier to the adoption of precision agriculture by smallholder farmers. Thus, the objective of the present work was to develop low- cost systems to allow the adoption of precision agriculture by smallholder farmers. To develop a low-cost system, compatible with small-scale agriculture, open source components, such as the single board computer Beaglebone Black, the GNSS module (Global Navigation Satellite System) u-blox NEO6M and the module GSM (Global System for Mobile Communications) SIM800L were used in the present work. Computer programs, programming languages and open source tools, such as QGIS, Python and PyQt, were used to avoid the acquisition of licenses. An embedded data analysis system was developed to allow data filtering, generation of interpolated map and clustering analysis, while the user was still in the field. A case study, carried out with soybean yield data, confirmed the importance of filtering the data before its use in decision making. In this case study carried out with soybean yield data, the developed embedded system removed 29.4% of the raw data. The standard deviation of the interpolation error decreased from 1.25 to 0.49 Mg ha -1 because of the data cleaning process. It has been observed that inconsistent data can mask spatial variability, which can result in wrong decision making. For variable rate seeding, a controller was developed and installed on a manual precision planter. This controller was used to control the angular speed of the electric motor that drives the seed metering mechanism. This planter used a horizontal perforated disk as a seed distribution mechanism. The field test showed that the planter equipped with the developed controller had a quality of feed index between 65.6 and 76.16% when it distributed between 40,000 and 70,000 plants ha -1 . This distribution quality is compatible with results obtained in tests of other fixed rate planter that adopt the horizontal perforated disk as a seed metering device. It was concluded that the controller was effective in controlling the angular speed of the motor, based on the plant density prescribed on the map, and the position and speed of the planter. A low- cost GSM module was included in the developed controller. This module allowed the operation data to be sent to a cloud-based server every four seconds, enabling remote and real-time monitoring of the operation. The analysis of the data sent to the server allowed to identify the field efficiency of the operation and a flaw that occurred in the seed distribution mechanism. Keywords: Single board computer. Embedded systems. Smallholder farming. Internet of things.