Nome do Projeto
MIPWise: ‘Inteligência Artificial das Coisas’ Aplicada ao Manejo Integrado de Pragas
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
06/02/2023 - 31/08/2026
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Um dos desafios da agricultura é o aprimoramento dos sistemas de produção para atender a demanda crescente por alimentos num contexto de sustentabilidade. Neste contexto, torna-se imprescindível a adoção de tecnologias que visem a melhoria na eficiência do controle de pragas agrícolas, baseadas nos preceitos do Manejo Integrado de Pragas (MIP). A superação desse desafio, passa pela via tecnológica e de inovação, tanto na geração de novos conhecimentos quanto na adaptação e validação em território brasileiro, de iniciativas de sucesso adotadas em outros países, em processo dinâmico capaz de manter a trajetória bem-sucedida da agricultura brasileira. A solução proposta neste projeto passa pela implementação de um ambiente rural com rede local para testes e validação de tecnologias da agricultura 4.0. Além disso, a validação de ferramentas utilizando tecnologias IoT e IA aplicadas ao MIP, visando o aprimoramento de modelos de previsão de infestações baseando-se nas coletas realizadas pelo sistema da startup Partamon (armadilhas inteligentes + estações meteorológicas), configurando uma agricultura automatizada e orientada a dados. Com a disponibilização destas soluções, espera-se um manejo de pragas mais eficiente e ágil, proporcionando impactos positivos, seja no âmbito ambiental (aplicações mais eficientes de defensivos agrícolas e consequente redução da poluição de águas e solos), no âmbito agrícola (preservação das tecnologias envolvidas tanto nas cultivares quanto nos defensivos agrícolas) e no âmbito econômico, com a racionalização do uso de defensivos agrícolas, a redução do uso de mão-de-obra, bem como de prejuízos gerados pela tomada de decisão tardia no controle das pragas.

Objetivo Geral

O objetivo é estabelecer uma área para testes e validação de tecnologias da agricultura 4.0, tendo como estudo de caso o aprimoramento e avaliação de um sistema integrado de sensores para coleta de dados e tomada de decisão para manejo integrado de pragas de uma startup de base tecnológica. A longo prazo, o objetivo é tornar a área experimental um catalisador para o desenvolvimento social e tecnológico deste segmento da agricultura na região Sul do RS, influenciando na tendência da adoção de novas tecnologias no campo para aumento de produtividade e de forma sustentável, a partir de um ferramental tecnológico que possa ser replicado para outras culturas e regiões agrícolas.

Objetivos Específicos:
1. Estruturar uma área de testes em campo (Fazenda da Palma da UFPel) para desenvolver, testar e validar soluções digitais aplicadas a cultivos agrícolas;
2. Validar um conjunto de tecnologias da Partamon para monitoramento de pragas, compreendendo os protótipos das armadilhas e estações meteorológicas para microclimas, já desenvolvidos, e o modelo preditivo de infestação de pragas em um ambiente natural. Uma vez validada a solução, será possível escalar a sua produção e melhorar/desenvolver sua produção de maneira assertiva e com dados de resultados comprovados.
3. Caracterizar o canal de propagação da última milha em que o sistema está inserido.
4. Desenvolver modelos preditivos para propagação de sinais baseados em dados topográficos de terrenos e imagens capturadas por drones e/ou satélites.
5. Estudar a topologia de rede mais adequada ao sistema de comunicação de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) que será implantada para a validação das tecnologias.
6. Aprimorar as tecnologias empregadas nos dispositivos sensores (armadilha e estações para monitorar variáveis climáticas) com o intuito de melhorar a eficiência energética e garantir conectividade em uma rede de dados de baixo custo.
7. Avaliar técnicas de visão computacional para identificação de plantas com sintomas de doenças e ataque de insetos via imagens aéreas capturadas por VANTs (drones).

Justificativa

Com vistas a fortalecer as habilidades que possam fazer frente aos problemas, associado às oportunidades da região Sul, no dia 29 de setembro de 2020 foi realizada a primeira reunião de Mesa do Programa INOVA RS na região Sul. Para tal, representantes da quádrupla hélice – governos municipais, academia, setor empresarial e sociedade civil organizada se engajaram visando possibilitar a criação de oportunidades de negócios através da elaboração e implementação de uma estratégia regional de inovação como forma de alavancar o crescimento econômico e o desenvolvimento social.
O resultado deste evento foi a validação e pactuação da visão de futuro da Região, sendo: "Em 2030 a região sul será referência brasileira de inovação por meio de uma estratégia de especialização inteligente em biotecnologia, automação e inteligência artificial nos setores do agronegócio, economia do mar e saúde". A partir da definição da visão de futuro teve início o processo de priorização de projetos estratégicos para o Ecossistema Regional de Inovação (ERI), equipe e integrantes dos comitês do INOVA RS região Sul. Neste processo houve a participação das lideranças dos setores do agronegócio, economia do mar e saúde juntamente com os empresários, professores e pesquisadores das tecnologias de inteligência artificial, biotecnologia e automação e robótica, seguindo a metodologia “Candy Innovation Model” começaram a elaboração dos projetos prioritários para a região Sul. Para gestão dessa trajetória, foi acordado que os projetos prioritários seriam divididos por tecnologias portadoras de futuro (inteligência artificial, biotecnologia, automação e robótica), com foco nos setores estratégicos da visão de futuro da região (saúde, agronegócio e economia do mar).
Neste contexto, a presente proposta, que foca em tecnologias de Agricultura 4.0, como IoT, Inteligência Artificial e Big Data, se enquadra nas áreas e tecnologias prioritárias escolhidas pelo ERI da região Sul. Ademais, a ICT proponente, UFPel e a empresa parceira, Partamon, estão localizadas no município de Pelotas, uma das principais cidades da região, por contar com Instituições de Ciência e Tecnologia (ICTs) renomadas nacionalmente e internacionalmente e, ainda, por estarem em processo de consolidação de seus respectivos Parques Científicos e Tecnológicos que podem impulsionar o empreendedorismo e a inovação no ambiente acadêmico. A Região Sul do Estado do Rio Grande do Sul é referência nacional nas áreas agrárias, biotecnologia e também nas áreas de Ciência e Engenharia de Computação, existindo um ecossistema de ciência, tecnologia e inovação formado por ICTs, parques tecnológicos, incubadoras e empresas engajadas na produção de soluções para o agronegócio. No cenário das ICTs se destacam a UFPel, IFSul, UNIPAMPA e a Embrapa Clima Temperado, as quais estão direta ou indiretamente envolvidas nas tecnologias desenvolvidas por spin-offs e startups da região. Destacam-se também a Conectar e Innovatio (Incubadoras de Base tecnológica da UFPel e FURG, respectivamente), o Pelotas Parque Tecnológico e o Oceantec, nos quais os novos empreendimentos estão inseridos. Além disso, é preciso ressaltar que a região Sul também é uma grande demandadora de tecnologias, visto que o agronegócio é um dos principais setores da economia regional.
Os recentes desenvolvimentos científicos e tecnológicos na área digital têm possibilitado um elevado número de oportunidades de criação de soluções para o agronegócio. Estas oportunidades respondem positivamente a necessidade de transição da economia atualmente baseada em matérias-primas e combustíveis fósseis para uma economia com base no conhecimento, caracterizada por um desenvolvimento sustentável, com baixo uso de carbono, assim, evitando e minimizando a parcela antrópica a mudança climática global, bem como maximizando a satisfação social daí resultante.
As tecnologias desenvolvidas no escopo do presente projeto, serão validadas em diferentes culturas agrícolas e áreas distintas, considerando diferentes características topográficas. Estes aspectos estão sendo considerados para ampliar a possibilidade de escalabilidade e replicabilidade das soluções propostas em outras regiões, em escala global, que se assemelham às características predominantes nos cenários utilizados na validação.

Metodologia

Assumindo o padrão de mensuração Technology Readiness Level (TRL), considera-se que a armadilha inteligente se encontra em TRL 6. O protótipo da estação meteorológica completa passou por TRL 5, onde foram avaliadas as funções críticas em campo. Para o desenvolvimento deste projeto, objetivando chegar em TRL 8, as atividades foram divididas nos eixos descritos abaixo, considerando a expertise dos membros da equipe. A metodologia esta organizada por eixos temáticos:

- Eixo 1: Sistema de Comunicação para Redes de Sensores Sem Fio (RSSF)
Objetivando a criação de uma rede de comunicação de sensores sem fio, é imperativo a busca de novas tecnologias empregadas para atender as diferentes demandas de cenários agrícolas. Sendo assim, tal projeto se propõe a apresentar o levantamento de quais tecnologias poderiam ser aplicadas nas diferentes áreas, o qual, terá como foco inicial a implementação de uma rede de coleta de dados de última milha, ou seja, explorar tecnologias que possam prover tais coberturas em determinadas áreas de interesses, assim como planejar via levantamento técnico uma rede de possíveis de backbones linkados com um servidor de dados remoto, que fornecerá dados aos sistemas de informação que estão sendo desenvolvidos pela Partamon, em parceria com a UFPel. As atividades relacionadas são:
Atividade 1 - Levantamento de tecnologias para implantação de uma rede de última milha;
Atividade 2 - Caracterização do canal de propagação e modelagem da propagação de sinais;
Atividade 3 - Estudo e proposta da topologia de rede mais adequada ao sistema de comunicação da RSSF aplicadas aos cenários de teste;

- Eixo 2: Aprimoramento do Hardware
No contexto de uma RSSF a Partamon trabalha com dois tipos de sensores: (1) uma armadilha de insetos automatizada e (2) uma estação meteorológica para monitorar variáveis climáticas e solo. As alterações que serão realizadas para a etapa de testes em ambiente operacional serão:
Atividade 4 - Desenvolvimento de um sistema para suporte energético;
Atividade 5 - Melhorias no sistema de comunicação;

- Eixo 3: Desenvolvimento e Aprimoramento de Sistemas de coleta de dados
Atividades relacionadas:
Atividade 6 - Plataforma web e App para integração de informações de monitoramento das armadilhas e estações meteorológicas;
Atividade 7 - Treinamento do algoritmo para detecção de novas pragas;
Atividade 8 - Adaptação da armadilha para novas aplicações;
Atividade 9 - Uso de drones para captura de imagens aéreas;

- Eixo 4: Implantação de uma Área Experimental para Testes de Campo
A área experimental disponibilizada pela UFPel conta com cerca de 600 ha localizada no Centro Agropecuário da Palma, distribuídos em áreas experimentais de fruticultura, pastagens, controle de plantas daninhas, arroz irrigado, milho, soja, sorgo, campos e florestas nativas, silvicultura, gado leiteiro, suinocultura e apicultura. Para implantação desta área de testes, além do espaço cedido pela ICT, serão instaladas, como contrapartida, torres de aproximadamente 30 metros, doadas ao curso de Engenharia Eletrônica da UFPel pela Anatel, onde poderão ser alocadas os rádios de diferentes topologias de redes sem fio à serem testados/validados na realização dos experimentos. A atividade relacionada é:
Atividade 10 - Validação dos sensores em campo com áreas de produção;

- Eixo 5: Demonstração dos Protótipos em Ambientes Produtivos comerciais
Após a validação das tecnologias em área de testes da UFPel, serão realizados testes em ambiente operacional (áreas produtivas), nas quais será realizada uma avaliação junto a potenciais clientes. A atividade relacionada é:
Atividade 11 - Monitoramento de pragas e condições climáticas em pomares de frutas e em cultivos de grãos;

Indicadores, Metas e Resultados

Metas:

- META 1. Implantar áreas de teste no Centro Agropecuário da Palma em pelo menos dois talhões de aproximadamente 10 hectares cada, com diferentes culturas de plantio.
COMPROVAÇÃO DA META: Registro em atas, documentação fotográfica e relatórios técnicos da implantação.
- META 2. Definir tecnologia e topologias de redes de dados que serão utilizadas nos protótipos da Partamon.
COMPROVAÇÃO DA META: Relatório técnico com resultados das medidas e estudos realizados em campo; artigos científicos apresentando o resultado dos estudos realizados.
- META 3. Produzir 24 armadilhas e 8 conjuntos de estações climáticas, em suas novas versões, incluindo fabricação de placas de circuito impresso, encapsulamento componentes e sensores, além dos suportes para fixação em campo.
COMPROVAÇÃO DA META: Projetos dos dispositivos, notas de serviços e componentes adquiridos, documentação fotográfica e relatórios descritivos dos dispositivos.
- META 4. Validar, testar e caracterizar os dispositivos produzidos nas áreas de teste descritas na Meta 1.
COMPROVAÇÃO DA META: Relatórios técnicos caracterizando os dispositivos produzidos no que diz respeito à autonomia energética, capacidade de transmissão de dados e área de cobertura.
- META 5. Validar a solução da Partamon com pelo menos 2 parceiros do setor produtivo.
COMPROVAÇÃO DA META: Contratos de parceria firmado entres as partes.
- META 6. Ampliar a capacidade de identificação de pelo menos mais duas espécies de insetos-praga e adaptação estrutural para pelo menos uma espécie.


Resultados e Impactos Esperados

Os resultados esperados contemplam duas frentes, uma relacionada aos benefícios da tecnologia validada da startup parceira e outra frente está relacionada aos benefícios da estruturação de um laboratório de campo para testes e validação de tecnologias 4.0 para o agronegócio.
Os insetos estão entre os principais problemas da agricultura brasileira e mundial. O controle das diferentes espécies ainda tem sido realizado principalmente com o emprego de inseticidas, os quais estão sendo banidos do mercado. Tal fato pode colocar em risco as diferentes cadeias agroalimentares brasileiras, além de impedir a exportação, seja pela presença de determinada praga nas áreas produtivas e/ou pelos resíduos tóxicos. Diversas ações oficiais de controle fitossanitário estão sendo retomadas pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e do Abastecimento (MAPA) e, além disso, centros de excelência em ciência e tecnologia se estruturaram e se consolidaram nas áreas agrárias, gerando conhecimento e recursos humanos qualificados. Contudo, estes programas oficiais, bem como as ICTs, necessitam de um componente estratégico de empreendedorismo e inovação para que novas ferramentas e técnicas para o monitoramento e supressão populacional das principais espécies-praga sejam ofertadas ao setor produtivo. O projeto contempla o teste e validação das tecnologias da startup Partamon: armadilha inteligente e estações meteorológicas modulares, as quais ao chegarem no mercado poderão ser utilizadas em praticamente todos os tipos de cultivos e sistemas de produção.
No que diz respeito à estruturação de um laboratório de campo para testes e validação de tecnologias 4.0, apresenta-se como oportunidade única de desenvolver e implantar um local de testes de soluções da Agricultura 4.0 no contexto regional do RS, impactando de maneira significativa e inédita o ecossistema de empreendedorismo e inovação da região Sul bem como cadeia agroalimentar, que irá absorver as tecnologias desenvolvidas. Além da perspectiva de apoio no aumento de produtividade e geração de valor para a cadeia agroalimentar, as soluções contempladas na proposta para esse edital também contemplam ultrapassar e quebrar barreiras identificadas através da rede de clientes e parceiros da Partamon, no que se refere à inserção digital. A solução proposta pela Partamon é prototipar, implementar e validar a solução software-hardware para monitoramento de pragas definida como PARTAMON DIGITAL FARMING. Este sistema pode ser separado em duas partes. A primeira parte, é composta por uma combinação de sensores em campo, datalogger, receptor e computador local com capacidade de processamento de informações, armazenamento e de rodar atualizações remotamente. A segunda parte é o software, que consiste na inteligência do sistema. Objetiva-se com este sistema entregar uma solução modular e financeiramente acessível em sensoriamento inteligente, favorecendo desta forma a aceitação do agricultor na Agricultura 4.0.
O que se pretende com a implantação do Laboratório de campo é proporcionar um espaço para as ações de pesquisa e inovação realizadas por diferentes grupos da UFPel, bem como das ICTs da região Sul, gerando, avaliando e validando tecnologias 4.0 que permitam a cadeia agroalimentar minimizar as perdas, reduzir custos de produção, além de uma produção contemplando os conceitos de economia verde, bioeconomia e sustentabilidade.
Um dos principais resultados tangíveis do projeto é a ampliação do desenvolvimento de spin-offs e startups focadas na Agricultura 4.0 na região Sul, por meio da estruturação de um ambiente de campo para desenvolvimento, testes e validação de tecnologias. Com o fortalecimento destas empresas, ou mesmo criação de novas empresas, haverá geração de empregos e renda em uma das regiões do Estado mais debilitadas do ponto de vista econômico, a região Sul do RS. Haverá também o fortalecimento dos ambientes de empreendedorismo e inovação em associação com as parcerias estabelecidas entre as ICTs e empresas da região, propiciando a criação de um ecossistema rico em oportunidades. A região Sul do RS, apesar de ser referência em geração de conhecimento científico e formação de recursos humanos altamente especializados, é carente de oportunidades para que esse conhecimento e esse capital intelectual formado permaneçam na região, gerando emprego e renda. Os resultados intangíveis seriam a visibilidade, o crescimento e a expansão das tecnologias das empresas.
A consolidação e o fortalecimento de uma startup (Partamon - estudo de caso) tem potencial de gerar um grande impacto nas áreas estratégicas para a região Sul do RS, como no agronegócio, através de:
- Fortalecimento da cadeia agroalimentar local e de suprimentos;
- Maior eficiência nos processos e atividades agropecuárias;
- Estímulo e fortalecimento de uma agricultura sustentável por meio da viabilização do uso de insumos de origem biológica;
- Agregação de valor aos produtos agrícolas e possibilidade de acesso a novos mercados;
- Um agronegócio com uso de soluções sustentáveis proporcionará a oferta de alimentos seguros, reduzindo os riscos à saúde de produtores e consumidores.

Todo contexto previamente apresentado, visa o aumento de produção de alimentos, de forma sustentável e com redução do impacto ambiental, à medida que se reduz o uso de defensivos químicos tóxicos ao meio ambiente.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ALAN CARLOS JUNIOR ROSSETTO5
FELIPE DE SOUZA MARQUES20
JEAN PIETRO COLET DE CARLI
MAIQUEL DOS SANTOS CANABARRO9
MARILTON SANCHOTENE DE AGUIAR3
MATHAUS CORRÊA HUBER
PAULO ROBERTO FERREIRA JUNIOR5
SANDRO DANIEL NORNBERG
SANDRO DANIEL NÖRNBERG
Samuel Santos Troina
TAUÃ MILECH CABREIRA
VINICIUS AVILA EICHENBERG

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CNPq / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoR$ 39.600,00Coordenador
FAPERGS / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado Rio Grande do SulR$ 600.000,00Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
339033 - Passagens de Despesas de LocomoçãoR$ 40.200,00
339030 - Material de ConsumoR$ 147.993,30
339020 - Auxílio Financeiro a PesquisadorR$ 39.600,00
339014 - Diária Pessoa CivilR$ 30.720,00
449052 - Equipamentos e Material PermanenteR$ 224.990,00
339039 - Outros Serviços de Terceiro - Pessoa JurídicaR$ 156.096,70

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