Desenvolvimento de ferramentas de baixo custo para o manejo de irrigação usando recursos da agricultura 4.0

Abstract

O manejo de irrigação (MI) de forma eficiente é essencial para o uso sustentável dos recursos hídricos e para o aumento da produtividade agrícola, especialmente em regiões com escassez hídrica. No entanto, a adoção generalizada de tecnologias de monitoramento por agricultores familiares ainda é limitada devido ao alto custo, à complexidade operacional e à necessidade de calibração específica para cada local. Este estudo teve como objetivo desenvolver e avaliar dispositivos de MI de baixo custo e fácil operação, adequados para usuários com baixa renda e escolaridade, com foco no monitoramento da umidade do solo e na estimativa da evapotranspiração de referência (ETo). Foram desenvolvidos dois protótipos: (i) um sistema de monitoramento da umidade do solo baseado em sensores capacitivos (modelo SKU: CE09640 v2.0), integrados a microcontroladores Arduino Mega2560, com retorno visual simplificado do estado de umidade do solo por meio de LEDs RGB; e (ii) um sistema de atmômetros manuais modificados (equipados com sensores capacitivos) integrados a Arduino Nano e ESP32, projetado para estimar indiretamente a ETo através do acompanhamento da evaporação de água e retorno em display LCD. Ambos os sistemas foram concebidos com foco na acessibilidade econômica, replicabilidade e operação autônoma em condições de campo. A calibração laboratorial dos sensores capacitivos foi realizada pelo método gravimétrico, correlacionando as leituras dos sensores com os teores gravimétrico (μ) e volumétrico (θ) de umidade do solo. Os testes de campo foram conduzidos no cultivo de Brassica oleracea (couve-manteiga), em delineamento em blocos casualizados com esquema fatorial 4×3, combinando quatro níveis de irrigação (50%, 75%, 100% e 125% da necessidade hídrica da cultura) e três estratégias de manejo (baseadas em ETc, tensiometria e sensores capacitivos). Avaliaram-se parâmetros agronômicos e de eficiência do uso da água. Os sensores capacitivos apresentaram forte correlação com os valores observados (R > 0,94; R2 > 0,89), erros reduzidos (RMSE: 0,022–0,029 m3 m-3), viés desprezível (−4,69×10-7 < MBE < 9,02×10-7) e alta concordância (0,94 < d < 0,98). Os atmômetros modificados mostraram sensibilidade consistente às variações no nível de água por evaporação, com boa correlação em relação às estimativas de ETo obtidas pelo método FAO Penman–Monteith, indicando viabilidade como alternativa prática em ambientes com infraestrutura meteorológica limitada. Os sistemas propostos demonstraram viabilidade técnica e acessibilidade econômica, permitindo a ampliação do uso de práticas de irrigação baseadas em dados em contextos de agricultura familiar. Os resultados reforçam o potencial dessas tecnologias simplificadas para contribuir com a intensificação agrícola sustentável.

Efficient irrigation management (IM) is essential for the sustainable use of water resources and for enhancing agricultural productivity, particularly in water-scarce regions. However, the widespread adoption of monitoring technologies by smallholder farmers remains limited due to high costs, operational complexity and the need for site-specific calibration. This study aimed to develop and evaluate low-cost, user-friendly devices for IM, suitable for low-income and low-literacy users, with emphasis on soil moisture monitoring and reference evapotranspiration (ETo) estimation. Two complementary prototypes were developed: (i) a soil moisture monitoring system based on capacitive sensors (model SKU: CE09640 v2.0) integrated with Arduino and ESP32 microcontrollers, providing simplified visual feedback through RGB LEDs and LCD displays; and (ii) a modified atmometer system (manual atmometers retrofitted with capacitive sensors), designed to estimate ETo indirectly by tracking water evaporation levels. Both systems were designed for affordability, ease of replication, and autonomy under field conditions. Laboratory calibration was performed using the gravimetric method, correlating sensor voltage readings with gravimetric (μ) and volumetric (θ) soil water content. A field trial was conducted under Brassica oleracea (kale) cultivation using a randomized block design with a 4×3 factorial scheme, combining four irrigation levels (50%, 75%, 100%, and 125% of crop water requirement) and three irrigation scheduling strategies (ETc based, tensiometer based, and sensor based). Agronomic and water-use efficiency parameters were evaluated. The capacitive sensors demonstrated strong agreement with observed moisture values (R > 0.94; R2 > 0.89), low root mean square error (RMSE: 0.022–0.029 m3 m3), negligible bias (−4.69×10-7 < MBE < 9.02×10-7), and high concordance (0.94 < d < 0.98). The modified atmometers showed consistent sensitivity to water level changes due to evaporation, correlating well with ETo estimates derived from the FAO Penman-Monteith method, supporting their use as a practical alternative in resource-limited environments. The proposed systems proved to be technically feasible and economically accessible, enabling broader adoption of data-driven irrigation practices in smallholder farming. These results support the scalability of simplified IM technologies and their potential contribution to sustainable agricultural intensification.