Um Sistema de Monitoramento Contínuo de Viveiros Made In Brasil

Por: Marcos Aparecido Chaves Ferreira 
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos
e-mail: [email protected]
Antonio Carlos Seabra
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos


“Se cultivarmos os peixes em um ambiente onde não sofram estresse, certamente eles se alimentarão mais e a produtividade será maior”. Este é o conceito que os profissionais da ETAE – Escola Tecnica Agrícola Estadial de Monte Aprazível – SP, responsáveis pelo desenvolvimento da aqüicultura na região, repassam aos mais de 300 produtores assessorados pela escola. Segundo eles, uma das principais causas de estresse nos peixes são as grandes variações nos parâmetros de qualidade da água (oxigênio dissolvido, pH, temperatura, amônia, nitrito) ao longo do dia. Com o monitoramento da variação destes parâmetros é possível conhecer mais sobre o cultivo e saber se a adoção de algum procedimento para manutenção da qualidade da água está tendo o sucesso esperado.

Este artigo apresenta um sistema de monitoramento continuo de oxigênio dissolvido, pH e temperatura para ser utilizado em viveiros e tanques. Foi totalmente desenvolvido no Brasil, fruto de uma dissertação de mestrado na Escola Politécnica da USP. Seu autor, após testes contínuos realizados a partir de setembro/2001, fala das vantagens do equipamento, do seu baixo custo e do “programa especialista” capaz de interagir com o produtor apontando soluções para os problemas que podem vir a ser detectados.


As variações dos parâmetros físico-químicos de um viveiro ocorrem ao longo do dia, sendo recomendado, portanto, que as medições desses parâmetros também sejam feitas ao longo de 24 horas. Normalmente, para a medição do oxigênio dissolvido, são utilizados medidores portáteis ou kits de análise. Esta árdua tarefa está sujeita a mudanças de procedimentos ou de operador, o que pode gerar leituras pouco confiáveis. A utilização de sistemas de monitoramento contínuo, que requerem pouca ou nenhuma interferência humana, pode reduzir essa margem de erros. Entretanto, os sistemas que monitoram a qualidade da água em tempo contínuo ainda não são acessíveis para o pequeno e médio produtor, dado ao seu elevado custo, já que um conjunto importado para monitoramento do pH, oxigênio dissolvido, condutividade e temperatura para monitorar apenas um viveiro custa hoje cerca de R$ 20.000,00.

Tais sistemas, no entanto, utilizam sensores (de pH, oxigênio dissolvido, etc), projetados para uma ampla gama de aplicações, que incluem desde certificação de qualidade da água até monitoramento de resíduos industriais, que implicam em robusteza e precisão, mas elevam significativamente o custo desses sistemas. Alguns conjuntos de monitoramento contínuo chegam a uma precisão de 1%, necessária a plantas industriais, mas muito superiores às necessárias na piscicultura, onde muitas vezes o valor exato de uma medida não é o mais importante (pH 7,3 ou 7,6; OD 5,1 mg/l ou 5,5 mg/l). Mais que isso, o que importa é a tendência de subida, queda ou estabilidade que o parâmetro apresenta. Assim, sondas confiáveis, mas não tão precisas e que possuam custo reduzido, podem ser aliadas importantes na redução do custo de um sistema de monitoramento contínuo e na sua utilização na aqüicultura brasileira.

É fato também que os sistemas de monitoramento contínuo disponíveis no mercado internacional são desenvolvidos de forma a oferecer comodidade ao piscicultor. Requerem pouca ou nenhuma limpeza/calibração, proporcionando funcionamento adequado por períodos que podem chegar até a três meses. Estes sistemas, porém, nem sempre são capazes de fazer uma análise cuidadosa da situação do cultivo, analisando as tendências dos parâmetros. Alguns, quando um parâmetro alcança uma situação crítica, são capazes apenas de soar alarmes e acionar aeradores em casos de emergência. Seu preço é justificável apena s em mercados onde o custo da mão de obra é muito caro e o preço do quilo do peixe é elevado. Como esta não é a realidade do Brasil, é aceitável que produtores ou seus funcionários realizem diariamente as tarefas de limpeza/calibração do sistema utilizado na sua propriedade.

Um Sistema Made in Brasil

Esse sistema foi desenvolvido em estreita parceria entre os profissionais da ETAE de Monte Aprazível e o Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP (campus São Paulo), contando com o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).

Voltado especificamente para piscicultura e idealizado em função das peculiaridades e das necessidades brasileiras percebidas através dos profissionais da ETAE, o sistema de monitoramento contínuo foi desenvolvido com a característica principal de possuir baixo custo. É composto por um conjunto de sondas para medição do pH, oxigênio dissolvido e temperatura para operar continuamente em um viveiro e inclui uma interface de potência para o acionamento de um aerador. Todo sistema é interligado a um computador. Possui simplicidade de manutenção com a adoção de procedimentos de limpeza/calibração que tomam cerca de 15 minutos por dia, “inteligência” que funciona como um consultor, possibilitando também o envio do histórico do cultivo por fax/modem para análise de especialistas. Todo o sistema pode ser comercializado por cerca de R$ 3 mil, excluindo-se o computador.

Um diagrama de blocos simplificado do sistema instalado em uma propriedade de cultivo no município de Monte Aprazível-SP, pode ser visto na figura a seguir, e podemos dividi-lo em duas partes: a parte eletrônica (hardware), composta pelas sondas, eletrônica de condicionamento, comunicação com o computador e o acionamento das cargas; e a parte de software, que faz a comunicação com o usuário, armazena e visualiza dados, e analisa os dados e suas tendências sugerindo ações de manejo preventivo e/ou corretivo, inclusive acionando automaticamente sistemas de aeração.

Hardware

Depois de definidos os parâmetros citados como importantes para qualidade da água para piscicultura, foi realizado um levantamento de quais desses parâmetros poderiam ser monitorados por sensores que fornecessem um sinal elétrico proporcional ao parâmetro medido e tivessem um custo acessível. Os parâmetros escolhidos para o monitoramento e análise automática pelo sistema especialista foram oxigênio dissolvido (OD), pH e temperatura da água.

Utilizando sondas do tipo polarográfica, que compõem normalmente os medidores portáteis mais econômicos, foi possível reduzir o custo de monitoramento do OD, com a desvantagem de que comumente essas sondas apresentam erros de 5% e precisam ser limpas uma vez ao dia, numa tarefa muito fácil, muito se assemelhando aos cuidados com lentes de contato. Realizados os procedimentos estipulados para a limpeza e calibração, este sistema é capaz de realizar a medição de oxigênio dissolvido com precisão de ± 5%, adequada para piscicultura. Os equipamentos importados para monitoramento contínuo garantem precisão na faixa de 1% e necessitam de pouca limpeza. Mas para isso, são utilizadas sondas de OD tecnologicamente avançadas (galvânica, microeletrodo, etc) cujos preços no Brasil giram em torno de R$ 2 mil, em contrastes com as sondas polarográficas que custam ao redor de R$ 400,00.

A temperatura da água é necessária para determinação correta dos parâmetros OD e pH. O sensor para este parâmetro já vem embutido normalmente no corpo das sondas de oxigênio dissolvido. Por sua vez, o pH é importante para a determinação da alcalinidade da água e indiretamente para a saúde do cultivo pois, em tanques de cultivo, valores elevados de pH propiciam uma condição mais crítica para a amônia presente no meio. A tecnologia para a medição do parâmetro pH é mais difundida, podendo-se encontrar várias opções de fabricantes com custos diferentes. Durante o desenvolvimento do sistema de monitoramento experimentou-se sondas de pH dos tipos junção simples e junção dupla. As sondas do tipo junção simples custam ao redor de R$ 120,00 e requerem intervalos de calibração menores para garantia da medida.

Para cada uma destas sondas foi desenvolvido um circuito eletrônico que interpreta a medida e amplifica seu sinal. Estes circuitos, denominados “eletrônica de condicionamento”, foram acondicionados em uma caixa vedada presa a uma pequena balsa posicionada no viveiro, ligada ao computador, 200 metros distante, através de cabos de par trançado multivias, como os de telefonia.

Os circuitos eletrônicos de condicionamento foram desenvolvidos sem a utilização de componentes especiais, requerendo o mínimo de componentes. Os sistemas de monitoramento comerciais são baseados em unidade de processamento semi-autônomas ligadas às sondas. Assim, a própria unidade faz todo o cálculo que envolve a calibração e a compensação de temperatura. Normalmente estas unidades possuem um display que permite a visualização de apenas um dado armazenado ou de uma leitura atual por vez, isto é: ou temperatura ou OD. Também requerem uma conexão com o computador para descarregar os dados de sua memória, que é limitada. Somente através da tela do computador é possível visualizar graficamente o histórico dos dados.

O sistema foi desenvolvido para ser utilizado com um computador que possa ser instalado próximo aos viveiros, podendo este ter baixo poder de processamento. A configuração mínima necessária é um Pentium 90MHz, com pelo menos 32MB de memória. A instalação do computador pode ser feita até mesmo no local destinado para armazenamento das rações dos peixes, caso não haja outra área protegida próxima ao viveiro a ser monitorado.

Junto ao computador é instalado um módulo que converte os sinais oriundos da balsa de forma que eles possam ser lidos através de uma porta serial (mouse) adicional. Outro módulo ligado a uma porta paralela (impressora) permite que o computador acione automaticamente o sistema de aeração. No lugar desses módulos, porém, podem ser também utilizadas placas adequadas, de aquisição fácil e custos que giram ao redor de R$ 600,00, que permitem que apenas um computador monitore até 12 viveiros. Desta forma, o custo por viveiro monitorado pelo sistema pode ser reduzido já que para mais de um viveiro o custo adicional fica restringido apenas ao número de sondas adicionais.

Software

A Figura 1 mostra a tela principal do sistema de monitoramento contínuo, onde o produtor tem acesso a todas as informações relativas ao comportamento dos parâmetros monitorados e as sugestões fornecidas pelo “programa especialista”.

Figura 1 - Tela principal do software do sistema de monitoramento contínuo. 
Figura 1 – Tela principal do software do sistema de monitoramento contínuo.

A área de gráficos situa-se no canto superior esquerdo da tela, permitindo a visualização do comportamento de um ou dois parâmetros simultaneamente, sendo que cada um dos eixos verticais pertence ao parâmetro escolhido em cada lado do gráfico. Pode-se selecionar o parâmetro a ser mostrado simplesmente clicando-se no gráfico (Figura 2).

Figura 2 - Tela de visualização simplificada apenas dos gráficos e dados instantâneos.
Figura 2 – Tela de visualização simplificada apenas dos gráficos e dados instantâneos.

No canto superior direito é mostrada a hora e os valores atuais do parâmetro escolhido, além dos valores máximos e mínimos alcançado ao longo do dia. A lista com os dias armazenados pelo sistema é mostrada no quadro “Históricos”. Pode-se escolher até seis dias quaisquer armazenados anteriormente pelo sistema para serem visualizados simultaneamente com o dia atual de monitoramento, na área de gráficos. Tal recurso permite que se façam comparações visuais de comportamento dos parâmetros em dias diferentes.

No quadro “Parâmetros” pode-se conferir os valores instantâneos de todos os parâmetros monitorados. Para identificar o viveiro monitorado, no quadro “Características do viveiro” o usuário deve fornecer algumas informações tais como as dimensões, sua transparência, biomassa e peso da ração dada no dia. A análise do sistema é feita de acordo com os dados monitorados e é fornecida no quadro “Última sugestão do sistema”. Este recurso representa uma inovação que auxilia o produtor em seu manejo. O sistema pode, por exemplo, chamar a atenção do produtor para uma condição crítica alcançada e sugerir (com valores) uma das formas de manejo: renovação da água, aplicação de calcário ou fertilizante e o acionamento do sistema de aeração. Tal recurso está disponível neste sistema graças um “programa especialista”, integrado ao sistema de coleta de dados que foi desenvolvido baseado no conhecimento dos especialistas em piscicultura da ETAE de Monte Aprazível. O programa especialista possui uma base de conhecimento composta de regras simples tais como: se o pH é baixo, então o calcário é baixo. A análise realizada por este “programa especialista” difere da análise feita por outros sistemas de monitoramento que realizam o controle automático de bombas, aeração ou emitem um sinal de alarme para uma situação crítica, resultado da análise feita com base no alcance de limites pré-definidos, como por exemplo: se oxigênio dissolvido < 3 mg/L então ligar aerador.

Já o “programa especialista” desenvolvido em Monte Aprazível – SP, utiliza a mesma tecnologia que compõem, por exemplo, o controle automático do foco de câmeras fotográficas, conhecida como lógica fuzzy. Neste tipo de lógica a análise é feita sem o uso de equações matemáticas, muito se assemelhando ao procedimento diário utilizado por especialistas para resolver os problemas. A base de conhecimento deste programa especialista é composta de dois conjuntos. Um deles realiza a análise para os valores atuais do pH, OD e temperatura da água. Outro conjunto de regras analisa a tendência do OD a partir dos dados armazenados anteriormente após um processo de filtragem implementado no programa. A base de conhecimento pode ainda ser ampliada e adaptada com a inclusão de novas regras sendo que as ferramentas de inclusão utilizadas são comerciais e possuem uma interface gráfica que permite até que a ampliação da base de conhecimento seja feita por programadores inexperientes, incluindo profissionais da área técnica agrícola.

Para obtenção de cada um dos parâmetros, o programa realiza uma série de cálculos de equações que envolvem procedimentos de calibração e compensação de temperatura a partir dos sinais fornecidos pelos sensores. Estas equações foram construídas a partir do princípio de funcionamento de cada sensor e em ensaios de desempenho realizados nos laboratórios da Escola Politécnica da USP. Deixar no computador os cálculos mais específicos do sistema e as rotinas de calibração permite que se faça facilmente um upgrade do sistema ou que se utilize qualquer sonda disponível para o pH e Oxigênio Dissolvido. As correções e compensações serão realizadas através do software. Com isto, o produtor pode optar entre a construção de um sistema mais preciso ou um sistema menos preciso e mais econômico.

Procedimentos de limpeza e calibração devem ser adotados para garantia de aferição do sistema. O intervalo para adoção destes procedimentos varia em função das condições da água. De um modo geral, deve-se limpar as sondas diariamente e realizar os procedimentos de calibração a cada dois dias. O software possui uma interface amigável e sugestiva para a realização dos procedimentos de calibração.

Este sistema que deve estar sendo comercializado nos próximos seis meses, é um protótipo funcional que atualmente está instalado em um viveiro na região de Monte Aprazível, enviando dados automaticamente para um web-site. Os dados podem ser acompanhados através do site: http://www.ilhasolteira.com.br/aquicultura.

Colaboraram: Professores Winebaldo de Carvalho e Antônio Carlos Diniz da Escola Técnica Agrícola Estadual de Monte Aprazível/CEETEPS.