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Ambiente e agricultura · 2026/1

Controlador de irrigação inteligente

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Controlador de Irrigação Inteligente

Identificação

Integrante Matrícula
Túlio Celeri 222026715
Pedro Ferreira Gondim 222026377

1. Produto selecionado

O produto selecionado para estudo é um controlador de irrigação inteligente, tendo como principal referência comercial o Eve Aqua Smart Water Controller.

O Eve Aqua é um controlador de irrigação utilizado em torneiras externas, mangueiras e sistemas simples de irrigação residencial. Sua função principal é transformar uma saída de água convencional em uma saída automatizada, permitindo que o usuário programe horários de irrigação, acione a água manualmente pelo próprio dispositivo ou controle o sistema por aplicativo e assistente de voz.

Eve Aqua Smart Water Controller Eve Aqua Smart Water Controller

2. Descrição geral do produto

O controlador de irrigação inteligente é um produto embarcado voltado para automação residencial, jardinagem, hortas domésticas, pequenos sistemas de irrigação e economia de água.

Em vez de o usuário abrir e fechar manualmente a torneira, o produto automatiza a irrigação por meio de uma válvula controlada eletronicamente. O usuário pode configurar horários, duração da irrigação e, em versões mais avançadas, integrar o sistema com dados climáticos ou sensores externos.

2.1 Funções principais

As principais funções observadas em controladores de irrigação inteligentes são:

  • ligar e desligar automaticamente a irrigação;
  • permitir acionamento manual pelo próprio dispositivo;
  • permitir controle remoto por aplicativo;
  • permitir criação de horários de irrigação;
  • evitar irrigação desnecessária em dias de chuva ou quando o solo já está úmido;
  • reduzir desperdício de água;
  • permitir acompanhamento do estado do sistema.

No caso do Eve Aqua, o produto permite criar programações de irrigação no aplicativo e executar essas programações diretamente no dispositivo, mesmo sem conexão constante com a internet. O produto também pode ser acionado pelo botão físico, pelo aplicativo ou por assistente de voz.

2.2 Público-alvo

O público-alvo desse tipo de produto inclui:

  • usuários residenciais com jardins, gramados, hortas ou vasos;
  • pessoas que desejam automatizar a irrigação enquanto estão fora de casa;
  • usuários interessados em economia de água;
  • pequenos produtores ou ambientes de cultivo em escala reduzida;
  • pessoas que utilizam ecossistemas de automação residencial.

2.3 Contexto de uso

O produto é normalmente instalado entre uma torneira externa e uma mangueira ou sistema de irrigação por gotejamento. Após a instalação, o usuário configura a irrigação por meio de aplicativo ou botão físico. Em aplicações mais completas, o sistema pode considerar dados climáticos, sensores de umidade do solo, sensores de chuva ou regras de agendamento.

No projeto proposto, o foco será uma versão simplificada, adequada para implementação com ESP32 no trabalho final da disciplina.

3. Componentes e tecnologias do produto comercial

Embora os fabricantes não disponibilizem todos os detalhes internos do hardware, é possível identificar os principais módulos funcionais de um controlador de irrigação inteligente.

3.1 Componentes principais

Módulo Função no produto comercial
Microcontrolador ou SoC embarcado Executa a lógica de controle, horários e comunicação
Válvula eletromecânica Abre ou fecha a passagem de água
Botão físico Permite acionamento manual da irrigação
Módulo de comunicação sem fio Permite controle por aplicativo e integração com automação residencial
Fonte de energia por bateria Permite uso externo sem tomada próxima
Carcaça resistente Protege o circuito contra respingos, sol e uso externo
Aplicativo móvel Interface para configuração e controle remoto

3.2 Sensores e dados utilizados

Controladores comerciais podem utilizar diferentes fontes de informação:

  • programação local definida pelo usuário;
  • dados climáticos obtidos pela internet;
  • sensores externos de chuva;
  • sensores externos de umidade do solo;
  • sensores de fluxo de água em modelos mais avançados;
  • estado interno da válvula;
  • nível de bateria.

O Eve Aqua, usado como referência principal, foca no controle automatizado por programação, acionamento manual e integração com ecossistema de casa inteligente. Já outros controladores de mercado, como Rain Bird, Rachio, Wyze e Hunter, possuem recursos adicionais, como múltiplas zonas, ajuste por clima, sensores de chuva/congelamento e relatórios de irrigação.

3.3 Tecnologias de comunicação

As tecnologias de comunicação encontradas nessa categoria de produto incluem:

  • Bluetooth: usado em alguns modelos para configuração local;
  • Wi-Fi: usado em controladores com acesso direto à rede doméstica;
  • Thread: usado em dispositivos de automação residencial de baixo consumo;
  • MQTT: protocolo comum em aplicações IoT, especialmente para comunicação com plataformas de monitoramento;
  • Aplicativos móveis: usados como interface para configuração e controle.

Na reprodução com ESP32, será utilizado Wi-Fi com MQTT, pois a ESP32 possui suporte nativo a Wi-Fi e o protocolo MQTT se integra bem com plataformas como ThingsBoard.

4. Análise técnica do funcionamento

O funcionamento de um controlador de irrigação inteligente pode ser dividido em cinco módulos principais:

  1. módulo de entrada;
  2. módulo de controle;
  3. módulo de atuação;
  4. módulo de interface;
  5. módulo de conectividade.

4.1 Módulo de entrada

O módulo de entrada coleta informações usadas na decisão de irrigar ou não. No produto comercial, essas informações podem vir de programação, aplicativo, sensores externos ou dados climáticos.

Na versão simplificada com ESP32, as entradas propostas são:

Entrada Função
Sensor de chuva Detectar se há chuva ou simular condição de solo molhado
Potenciômetro Simular um sensor analógico de umidade do solo
Botão físico Alternar entre modo manual e automático ou forçar irrigação
Comando remoto MQTT Permitir controle pelo dashboard

4.2 Módulo de controle

O módulo de controle processa as entradas e decide se a irrigação deve ser ligada ou desligada.

A lógica básica proposta é:

  • se o sistema estiver em modo automático:

    • ligar a irrigação quando a umidade simulada estiver abaixo do limite configurado;
    • desligar a irrigação quando a umidade estiver acima do limite;
    • impedir irrigação se o sensor de chuva indicar chuva;

  • se o sistema estiver em modo manual:

    • obedecer ao comando recebido pelo botão ou pelo dashboard;

  • sempre enviar o estado atual para a plataforma de monitoramento.

4.3 Módulo de atuação

O módulo de atuação é responsável por abrir ou fechar a água.

Na versão comercial, isso é feito por uma válvula eletromecânica. Na versão com ESP32, a reprodução será feita com:

Atuador Função
Relé de 1 canal Representar o acionamento da bomba ou válvula
LED RGB Indicar o estado do sistema
Buzzer Emitir alerta em caso de erro, chuva ou acionamento manual
Display OLED ou LCD I2C Exibir modo, umidade simulada e estado da irrigação

Por segurança, durante a demonstração o relé pode acionar apenas um LED ou uma carga de baixa tensão, simulando a bomba ou válvula.

4.4 Módulo de interface

A interface local permite observar e controlar o sistema sem depender exclusivamente do dashboard.

Estados do LED RGB:

Cor Estado
Verde Solo úmido, irrigação desligada
Vermelho Solo seco, irrigação necessária
Azul Irrigação ligada
Amarelo Chuva detectada, irrigação bloqueada
Roxo Modo manual

O display OLED ou LCD pode mostrar:

  • modo atual: automático ou manual;
  • valor da umidade simulada;
  • estado da chuva;
  • estado da bomba/válvula;
  • limite de umidade configurado.

4.5 Módulo de conectividade

A conectividade permite que o sistema envie dados e receba comandos remotamente.

Na proposta com ESP32, será usado:

  • Wi-Fi;
  • protocolo MQTT;
  • plataforma ThingsBoard;
  • envio de telemetria;
  • recebimento de comandos remotos por RPC.

Exemplo de telemetria enviada:

{
  "umidade_solo": 35,
  "chovendo": false,
  "irrigacao_ligada": true,
  "modo": "automatico",
  "limite_umidade": 40
}

Exemplos de comandos remotos:

{
  "method": "setModo",
  "params": "manual"
}

{
  "method": "setIrrigacao",
  "params": true
}

{
  "method": "setLimiteUmidade",
  "params": 45
}

5. Tecnologias críticas identificadas

As tecnologias críticas para o funcionamento de um controlador de irrigação inteligente são:

5.1 Sensoriamento ambiental

O sistema precisa medir ou estimar condições do ambiente, como umidade do solo, chuva, temperatura ou dados climáticos. No protótipo, o uso de potenciômetro e sensor de chuva permite reproduzir essa lógica de forma simples e compatível com os componentes disponíveis.

5.2 Controle de atuadores

A abertura e fechamento da irrigação dependem do acionamento confiável de uma válvula ou bomba. Na reprodução, esse comportamento pode ser representado por um relé e um LED indicador.

5.3 Comunicação sem fio

A comunicação sem fio permite monitoramento e controle remoto. No protótipo, o Wi-Fi da ESP32 será usado para comunicação MQTT com o ThingsBoard.

5.4 Processamento embarcado

A ESP32 executará a lógica de controle localmente, sem depender totalmente da internet. Isso é importante porque sistemas de irrigação precisam continuar funcionando mesmo se houver falha temporária de comunicação.

5.5 Economia de energia

Produtos comerciais geralmente utilizam bateria e precisam reduzir consumo. Embora o protótipo possa ser alimentado por USB, o estudo considera que uma versão real poderia usar modos de baixo consumo da ESP32, leituras em intervalos maiores e acionamento esporádico da comunicação.

6. Proposta de reprodução com ESP32

A proposta para o trabalho final é implementar uma versão simplificada de um controlador de irrigação inteligente usando ESP32, sensores simples e atuadores compatíveis.

6.1 Objetivo da reprodução

Reproduzir parcialmente as principais funcionalidades de um controlador de irrigação inteligente:

  • monitorar condição de umidade;
  • detectar chuva;
  • acionar ou desligar irrigação;
  • permitir modo automático;
  • permitir modo manual;
  • enviar dados por Wi-Fi;
  • permitir comandos remotos via dashboard;
  • exibir estado localmente por LED e/ou display.

6.2 Componentes propostos

Componente Tipo Função
ESP32 Controlador Executar lógica de controle, comunicação e leitura de sensores
Potenciômetro analógico Entrada Simular sensor de umidade do solo
Sensor de chuva Entrada Detectar chuva ou condição de solo molhado
Botão Entrada Alternar modo ou acionar irrigação manual
Relé de 1 canal Saída Simular acionamento de bomba/válvula
LED RGB Saída Indicar estado do sistema
Buzzer ativo Saída Alertar mudanças de estado
Display OLED ou LCD I2C Saída Mostrar informações do sistema
Wi-Fi da ESP32 Comunicação Enviar telemetria e receber comandos

6.3 Diagrama conceitual do sistema

flowchart LR
    A[Potenciômetro / Umidade simulada] --> E[ESP32]
    B[Sensor de chuva] --> E
    C[Botão físico] --> E
    E --> F[Relé / Bomba ou válvula simulada]
    E --> G[LED RGB]
    E --> H[Buzzer]
    E --> I[Display OLED ou LCD]
    E <-->|Wi-Fi + MQTT| J[ThingsBoard]
    J --> K[Dashboard Web]

6.4 Fluxo de funcionamento

flowchart TD
    A[Início] --> B[Conectar Wi-Fi]
    B --> C[Conectar MQTT]
    C --> D[Ler sensores]
    D --> E{Modo automático?}
    E -- Sim --> F{Solo seco e sem chuva?}
    F -- Sim --> G[Ligar irrigação]
    F -- Não --> H[Desligar irrigação]
    E -- Não --> I[Usar comando manual]
    G --> J[Atualizar LED/Display]
    H --> J
    I --> J
    J --> K[Enviar telemetria]
    K --> D

6.5 Possível organização com FreeRTOS

Embora o Trabalho 2 seja teórico, a proposta já considera a implementação futura com ESP-IDF e FreeRTOS.

Task Responsabilidade
sensor_task Ler potenciômetro, sensor de chuva e botão
control_task Aplicar regras de irrigação automática/manual
mqtt_task Enviar telemetria e receber comandos remotos
display_task Atualizar OLED/LCD e LED RGB
alert_task Controlar buzzer em eventos importantes

6.6 Variáveis principais do sistema

Variável Tipo Descrição
umidade_solo inteiro Valor percentual simulado de umidade
chovendo booleano Indica se o sensor de chuva foi acionado
irrigacao_ligada booleano Indica se o relé está ligado
modo texto Pode ser automatico ou manual
limite_umidade inteiro Valor mínimo para ligar irrigação
erro_sensor booleano Indica falha ou leitura inválida

6.7 Regras de controle

Condição Ação
Modo automático + solo seco + sem chuva Liga irrigação
Modo automático + solo úmido Desliga irrigação
Modo automático + chuva detectada Bloqueia irrigação
Modo manual + comando ligar Liga irrigação
Modo manual + comando desligar Desliga irrigação
Falha de leitura Desliga irrigação por segurança

7. Limitações e desafios esperados

A reprodução proposta é uma versão simplificada do produto comercial. Algumas limitações esperadas são:

  • o potenciômetro apenas simula um sensor de umidade do solo;
  • sensores de umidade de baixo custo exigem calibração;
  • o relé pode simular a bomba ou válvula em vez de controlar água real;
  • a comunicação depende da rede Wi-Fi;
  • não será implementado aplicativo móvel próprio;
  • dados climáticos externos podem ser substituídos pelo sensor de chuva;
  • a segurança elétrica deve ser considerada se uma bomba real for usada.

Mesmo com essas limitações, o protótipo cobre os principais conceitos do produto: sensoriamento, controle automático, atuação, interface local e comunicação sem fio.

8. Pesquisa bibliográfica e tecnológica

A pesquisa bibliográfica foi dividida em dois grupos:

  1. artigos sobre tecnologias que viabilizam o produto;
  2. artigos sobre aplicações ou uso de sistemas de irrigação inteligente.

8.1 Artigos sobre tecnologias que viabilizam o produto

Resumo: O artigo apresenta uma visão geral sobre sistemas de irrigação inteligente baseados em IoT, destacando o uso de sensores, redes de comunicação, plataformas de monitoramento e técnicas de automação aplicadas à agricultura de precisão. A contribuição para este trabalho está na identificação das principais tecnologias usadas em produtos de irrigação inteligente, como sensores de umidade, comunicação sem fio e controle remoto.

Relação com o produto: Serve como base para compreender a arquitetura geral de um controlador de irrigação inteligente e sua reprodução com ESP32.

Artigo 2: Smart & Green: An Internet-of-Things Framework for Smart Irrigation

Resumo: O artigo propõe uma arquitetura baseada em Internet das Coisas para irrigação inteligente, incluindo coleta de dados, comunicação, processamento e tomada de decisão. O trabalho mostra como sensores e serviços conectados podem ser combinados para melhorar a eficiência da irrigação.

Relação com o produto: Ajuda a justificar a separação do protótipo em módulos de sensores, controle, conectividade e interface.

Artigo 3: Automated Low-Cost Soil Moisture Sensors: Trade-Off between Cost and Accuracy

Resumo: O artigo compara sensores comerciais e sensores de baixo custo para medição de umidade do solo, avaliando custo, precisão, calibração e aplicação em campo. O estudo mostra que sensores mais simples podem ser úteis em projetos de baixo custo, desde que suas limitações sejam conhecidas.

Relação com o produto: Justifica o uso de sensores simples ou entradas analógicas no protótipo com ESP32 e reforça a necessidade de calibração.

Artigo 4: Comparative Analysis of Soil Moisture- and Weather-Based Irrigation Scheduling for Drip-Irrigated Lettuce Using Low-Cost Internet of Things Capacitive Sensors

Resumo: O artigo compara estratégias de irrigação baseadas em umidade do solo e em dados climáticos, usando sensores capacitivos de baixo custo conectados por IoT. Ele mostra que a decisão de irrigação pode ser feita tanto por sensores locais quanto por informações meteorológicas.

Relação com o produto: Apoia a lógica do protótipo: irrigar com base na leitura de umidade simulada e bloquear irrigação quando houver chuva.

8.2 Artigos sobre aplicação e uso do produto

Artigo 5: Development of an IoT-Based Precision Irrigation System for Tomato Production from Indoor Seedling Germination to Outdoor Field Production

Resumo: O artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema de irrigação de precisão baseado em IoT para produção de tomate, desde germinação em ambiente interno até cultivo em campo. O sistema utiliza sensores e comunicação para monitorar e controlar a irrigação.

Relação com o produto: Mostra uma aplicação prática de irrigação inteligente em cultivo real, validando a utilidade de controladores automatizados.

Artigo 6: Research and Development of an IoT Smart Irrigation System for Farmland Based on LoRa and Edge Computing

Resumo: O artigo apresenta um sistema de irrigação inteligente para áreas agrícolas usando IoT, LoRa e computação de borda. A proposta busca reduzir dependência de processamento centralizado e melhorar a tomada de decisão próxima ao campo.

Relação com o produto: Apoia a ideia de que o controlador deve tomar decisões localmente, mesmo quando há comunicação com uma plataforma remota.

Artigo 7: Implementation of a Wireless Sensor Network for Irrigation Management in Drip Irrigation Systems

Resumo: O artigo apresenta uma rede de sensores sem fio aplicada ao gerenciamento de irrigação por gotejamento. O sistema monitora variáveis como umidade do solo, fluxo de água, pressão e volume irrigado, permitindo gerenciamento mais eficiente.

Relação com o produto: Mostra como redes de sensores podem ser usadas para tornar a irrigação mais precisa, o que se relaciona diretamente com controladores inteligentes residenciais e agrícolas.

Artigo 8: Design of a Low-Cost Smart Irrigation System Based on NB-IoT for Agriculture

Resumo: O artigo propõe um sistema de irrigação inteligente de baixo custo usando NB-IoT para aplicações agrícolas. A arquitetura busca reduzir custos, melhorar cobertura de comunicação e manter precisão aceitável no controle de irrigação.

Relação com o produto: Reforça a viabilidade de versões simplificadas e de baixo custo de controladores de irrigação inteligente, como a proposta com ESP32.

9. Comparativo com produtos similares

A tabela abaixo compara o produto estudado com outros controladores de irrigação inteligente disponíveis no mercado.

Produto Tipo Comunicação Zonas/saídas Alimentação Recursos principais Relação com o protótipo
Eve Aqua Smart Water Controller Controlador de torneira/mangueira Bluetooth/Thread/HomeKit 1 saída de água Baterias Programação, botão físico, controle por app e assistente de voz Produto base estudado
Rachio Smart Hose Timer Temporizador inteligente de mangueira Wi-Fi via hub Até 8 válvulas por hub 2 pilhas AA na válvula Agendamento por app, controle remoto, notificações e ajuste por chuva Similar ao protótipo de uma zona
Rain Bird ST8 2.0 WiFi Controlador de irrigação residencial Wi-Fi Até 8 zonas Fonte AC Programação por zona, sensor de chuva/congelamento, ajuste sazonal Similar em controle por zonas e sensores externos
Rachio 3 Smart Sprinkler Controller Controlador de irrigação residencial Wi-Fi 4, 6, 8, 12 ou 16 zonas Fonte AC Integração com Alexa, Google Assistant, IFTTT e app móvel Similar em conectividade e automação
Hunter Pro-HC Controlador residencial/profissional Wi-Fi/Hydrawise 6, 12 ou 24 zonas Fonte AC Integração com sensores de chuva, controle por software e múltiplas zonas Representa versão profissional do conceito
Wyze Sprinkler Controller Controlador de irrigação residencial Wi-Fi Até 8 zonas Fonte AC App, agendamento, dados climáticos e serviço Sprinkler Plus Similar em dashboard e comandos remotos
Netro Sprite Controlador de irrigação residencial Wi-Fi 2.4 GHz 6 zonas + válvula mestre Fonte AC Agendamento inteligente e controle via app Similar em automação de múltiplas zonas

10. Justificativa da escolha

O controlador de irrigação inteligente foi escolhido porque é um produto embarcado de uso cotidiano, possui sensores e atuadores que podem ser reproduzidos de forma simples e permite uma implementação prática com ESP32.

A escolha é adequada para o trabalho porque:

  • é um produto real e documentado;
  • pertence à área de automação residencial e IoT;
  • usa entradas e saídas fáceis de reproduzir;
  • permite uma proposta clara com ESP32;
  • pode ser demonstrado sem riscos, usando LED e relé como simulação;
  • possui muitos artigos acadêmicos relacionados;
  • facilita a implementação futura no trabalho final.

Além disso, o projeto permite diferentes níveis de complexidade. A versão mínima pode apenas ler sensores e acionar um relé. Uma versão mais completa pode incluir dashboard, MQTT, comandos remotos, display e regras configuráveis.

11. Conclusão

O controlador de irrigação inteligente é um exemplo adequado de sistema embarcado aplicado à automação residencial e agricultura de pequena escala. O produto combina sensoriamento, controle local, atuação eletromecânica e comunicação sem fio para automatizar a irrigação e reduzir desperdício de água.

A reprodução proposta com ESP32 é viável porque utiliza componentes simples, como potenciômetro, sensor de chuva, botão, relé, LED RGB, buzzer e display. A comunicação por Wi-Fi e MQTT permite integração com plataformas IoT, enquanto a lógica local garante que o sistema continue funcionando mesmo sem interação constante do usuário.

Portanto, o produto escolhido atende aos objetivos do Trabalho 2 e serve como uma base prática para o desenvolvimento do Trabalho Final.

12. Referências

Produto estudado

Produtos similares

Artigos acadêmicos

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