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???metadata.dc.type???: Dissertação
Title: IoT-based smart trap solution for pest control in sustainable agriculture
???metadata.dc.creator???: Figueiredo, Vitor Alexandre Campos
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Mafra , Samuel Baraldi
First advisor-co: Rodrigues, Joel José Puga Coelho
???metadata.dc.contributor.referee1???: Mafra, Samuel Baraldi
???metadata.dc.contributor.referee2???: Marcondes, Guilherme Augusto Barucke
???metadata.dc.contributor.referee3???: Albuquerque, Victor Hugo Costa de
???metadata.dc.contributor.referee4???: Brito, José Marcos Câmara
???metadata.dc.description.resumo???: Com o aumento da população mundial, a demanda por alimentos está assumindo proporções inéditas e garantir a segurança alimentar (capacidade de produzir alimentos e disponibilizá-los a população atendendo as necessidades mínimas nutricionais) representa uma questão de enorme preocupação para grande parte dos países. A expansão das áreas de cultivo é uma das consequências diretas desta demanda. No entanto, a medida que as plantações se expandem, um ambiente adequado é promovido para a reprodução e estabelecimento de insetos indesejáveis devido a abundância de alimento e, por vezes, ausência de inimigos naturais. Estes insetos (conhecidos como “pragas”) se alimentam dos grãos, frutos e folhas causando degradação da colheita e consideráveis prejuízos financeiros. Como método de controle, a aplicação de pesti- cidas químicos e amplamente utilizada nas lavouras o que encadeia outros problemas: intoxicações de pessoas e animais, contaminação do ar, solo, e agua em geral. Desenvolver soluções ecologicamente sustentáveis e com custo viável para o controle de pragas apresenta-se como um desafio mas também uma oportunidade para garantir a desejável segurança alimentar com alimentos de qualidade, saudáveis e livres de venenos. A utilização de tecnologias avançadas na agricultura tem o potencial para desenvolver tal controle sustentável. A combinação de tecnologias como Internet das Coisas (do Inglês, Internet of Things – IoT) e computaçã em Nuvem (do Inglês, Cloud Computing), Inteligencia Artifical, e Visão Computação oferecem propostas de automatização e monitoramento de lavouras, armazenamento dos dados coletados, execução de análises computacionais para tomada de decisão, e visualização avançada de dados. A cafeicultura tem alta relevância no agronegócio brasileiro e, assim como outras culturas, também enfrenta o desafio do controle de pragas. Um dos insetos mais prejudiciais as lavouras de café e conhecido como “Broca-do-café” ( hypotenemus hampei) e esta dissertação explora a necessidade de controlar sua população propondo uma inovadora solução onde agrega as mais avançadas tecnologias e o estrito alinhamento aos conceitos de sustentabilidade na produção de alimentos de qualidade. Portanto, ao longo da concepção desta dissertação, foi realizada uma revisão da literatura relacionada a Broca-do-café para conhecer sua biologia, seu ciclo de vida e as principais abordagens de controle populacional apontando as respectivas vantagens e desvantagens. Uma outra revisão da literatura foi o levantamento e análise das abordagens para identificação de insetos, enfatizando quais classes de insetos são mais adequados em cada processo de identificação. Considerando os requisitos tecnológicos, ainda foram realizadas outras duas revisões: a primeira sobre os principais conceitos envolvidos no paradigma IoT enfatizando a Agricultura 4.0 (IoT aplicado na agricultura). E a última revisão foi sobre os principais conceitos de Visão Computacional como arcabouço para implementação da identificação de insetos por análise de imagem. Em seguida, uma solução integrada e proposta combinando uma armadilha inteligente com sensor de localização por Sistema de Posicionamento Global (em Inglês, Global Positioning System – GPS), câmera para adquirir imagens de insetos, hardware e software embarcados para análise de imagem, e atuadores para captura ou expurgo de insetos. Por fim, a armadilha inteligente integra-se via rede celular a uma camada de software, conhecida como Middleware, cuja funçã e receber os dados, armazená-los em um banco de dados, para que a aplicação Web desenvolvida, via Internet, possa acessá-los e apresentá-los ao usuário final. A solução foi validada primeiro para encontrar o valor otimizado para o limiar de binarização dentro da rotina de Visão Computacional e, segundo, para assegurar a transmissão integrada de dados, desde o ambiente rural, passando pelo Middleware até a aplicação do usuário final. Por fim, a solução é demonstrada e esta pronta para o uso em lavouras de café. Portanto, este estudo propõe uma solução altamente tecnológica para controle sustentável de pragas na cafeicultura e com a possibilidade de ser usada em outras culturas agrícolas.
Abstract: With the increase in the world population, the demand for food is assuming unprecedented proportions, and ensuring food security (capability to produce food and make it available to the population meeting the minimum nutritional need) is a matter of enormous concern for most countries. The expansion of growing areas is one of the direct consequences of this demand. However, as plantations expand, a suitable environment is promoted to reproducing and establishing undesirable insects due to the abundance of food and sometimes the absence of natural enemies. These insects (known as “pests”) feed on grains, fruits, and leaves, causing plantation degradation and considerable financial losses. As a control method, chemical pesticides are widely used in plantations which chains other problems: poisoning of people and animals, contamination of air, soil, and water in general. Developing environmentally sustainable and viable cost-effective solutions for pest control presents a challenge and an opportunity to ensure desirable food security with quality, healthy and poison-free foods. The use of advanced technology in agriculture has the potential to develop such sustainable control. The combination of advanced technologies such as the Internet of Things (IoT), Cloud Computing, Artificial Intelligence (AI), and Computer Vision (CV) offer proposals for automating and monitoring plantations, storing collected data, performing computational analysis for decision making, and advanced data viewing. The coffee culture is highly relevant in Brazilian agribusiness and, like other cultures, it also faces the pest control challenge. One of the most harmful insects to coffee plantations is known as “Coffee-berry-borer” (CBB) (Hypotenemus hampei), and this dissertation explores the need to control its population by proposing an innovative solution that combines the most advanced technologies and the strict alignment with the concepts of sustainability in the production of quality food. Therefore, throughout the dissertation conception, a review of related literature was carried out to know biology of CBB, its life cycle, and the main approaches to population control, pointing out the respective advantages and disadvantages. Another review was the survey and analysis of insect identification techniques, emphasizing which classes of insects are most suitable in each identification process. Considering the technological requirements, two additional reviews were carried out: The first was about the main IoT concepts highlighting the Agriculture 4.0 (IoT applied in agriculture). And the last review was about the concepts of Computer Vision as a framework to implement insect identification by image analysis. Next, an integrated solution is proposed which combines a smart trap with a location sensor by Global Positioning System (GPS), camera to acquire images of insects, embedded hardware and software for image analysis, and actuators to capture or purge insects. Finally, the smart trap integrates via mobile network into a software layer, known as Middleware, whose function is to receive the data, store it in a database so that the developed Web application, via Internet, can access it and present it to the end-user. The solution was validated firstly to find the optimized value for the binarization threshold within the Computer Vision routine and secondly to ensure the integrated data transmission from the rural environment through the Middleware until the end-user application. Finally, the solution is demonstrated and is ready for use in coffee plantations. Therefore, this study proposes a highly technological solution for sustainable pest control in coffee culture and with the possibility of being used in several other agricultural cultures.
Keywords: IoT; Internet das Coisas; Visão Computacional; Controle Sustentável de Pragas; Identificação de Insetos; Armadilhas Inteligentes; Fazendas Inteligentes; Agricultura Sustentável; Agricultura Digital; Agricultura 4.0
IoT; Internet of Things; Computer Vision; Insect Identification; Sustainable Pest Control; Smart Traps; Smart Farming; Sustainable Agriculture; Digital Agriculture; Agriculture 4.0
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia - Telecomunicações
Language: eng
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.initials???: INATEL
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.program???: Mestrado em Engenharia de Telecomunicações
Citation: Figueiredo, Vitor Alexandre Campos. IoT-based smart trap solution for pest control in sustainable agriculture. 2021. [92]. dissertação( Mestrado em Engenharia de Telecomunicações) - Instituto Nacional de Telecomunicações, [Santa Rita do Sapucai] .
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
???metadata.dc.rights.uri???: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
URI: https://tede.inatel.br:8080/tede/handle/tede/223
Issue Date: 15-Oct-2021
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia de Telecomunicações

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