CULTIVO PROTEGIDO • MICROCLIMA VPD • FERTIRRIGAÇÃO DE PRECISÃO

Engenharia de Irrigação em Estufas: Défice VPD, Radiação Solar e Dosagem Nutritiva

Em ambiente protegido, a precipitação natural não atinge a zona radicular. Apresentamos o modelo de balanço transpiratório autónomo baseado no Défice de Pressão de Vapor (VPD), radiação de onda curta e fertirrigação proporcional A+B implementado no microcontrolador ESP32-S3.

Estufas e túneis agrícolas representam ambientes com controlo integral (Protected Cropping). A aplicação direta de modelos agrometeorológicos de campo aberto neste domínio provoca graves anomalias culturais. A chuva externa não hidrata as culturas cobertas; por conseguinte, os bloqueios de rega por precipitação devem ser desativados e o aporte hídrico e nutricional governado exclusivamente pela radiação solar e pela taxa de transpiração estomática.

Princípio de anulação do bloqueio de chuva:

No perfil de estufa do controlador Waveshare 6CH, o algoritmo fixa a precipitação externa efetiva a zero ($ P_{\text{eff}} = 0 $). Mesmo durante tempestades no exterior, a transpiração das plantas sob a cobertura continua ativa, impulsionada pela irradiância solar e pelo défice higrométrico do ar.

1. Défice de Pressão de Vapor (VPD) e Fórmula de Tetens

A humidade relativa ($ RH $) isolada não quantifica a força de sucção física exercida sobre o dossel foliar. O parâmetro fisiológico primordial é o VPD (Vapor Pressure Deficit): a diferença entre a pressão de vapor saturado no interior da cavidade subestomática ($ e_s $) e a pressão de vapor efetiva no ar da estufa ($ e_a $):

$$\text{VPD} = e_s - e_a \quad [\text{kPa}]$$

A pressão de vapor saturado $ e_s $ à temperatura $ T $ [°C] é resolvida no processador ESP32-S3 com recurso à equação de Tetens:

$$e_s = 0.61078 \times \exp\left( \frac{17.27 \times T}{T + 237.3} \right) \quad [\text{kPa}]$$

A pressão de vapor real do ar $ e_a $ é calculada de forma direta através da medição da humidade relativa $ RH $ [%]:

$$e_a = e_s \times \left( \frac{RH}{100} \right) \quad [\text{kPa}]$$

Gamas agronómicas operacionais de controlo de VPD:

$ \text{VPD} < 0.4\text{ kPa} $ – Atmosfera saturada de humidade. Transpiração e transporte de cálcio estagnados; risco crítico de proliferação de Botrytis cinerea (podridão cinzenta) e fungos fitopatogénicos.
$ 0.8\text{ kPa} \le \text{VPD} \le 1.2\text{ kPa} $ – Ótimo fotossintético. Estomas totalmente abertos, maximizando a absorção de CO2 e a translocação de nutrientes.
$ \text{VPD} > 1.6\text{ kPa} $ – Stress hídrico severo. A procura evaporativa do ar supera a taxa de absorção radicular; os estomas fecham defensivamente para evitar o murchamento.

2. Radiação Solar ($ R_s $) e Coeficientes de Sombreamento

A taxa transpiratória em estufa é energeticamente impulsionada pela radiação solar recebida. O algoritmo recolhe a radiação solar global de onda curta $ R_s $ [W/m²] e pondera a atenuação de coberturas e telas térmicas através do fator $ S_{\text{coef}} $:

$$R_{\text{eff}} = R_s \times S_{\text{coef}} \quad [\text{W/m}^2]$$

A lâmina diária de irrigação volumétrica por metro quadrado $ D_{\text{m2}} $ [l/m²] resulta do ajustamento da procura base pelos multiplicadores de radiação ($ M_{\text{rad}} $) e de défice VPD ($ M_{\text{vpd}} $):

$$D_{\text{m2}} = D_{\text{base}} \times M_{\text{rad}} \times M_{\text{vpd}} \quad [\text{l/m}^2]$$

O volume de água total $ V_{\text{água}} $ [litros] calculado para um setor de estufa com área útil $ A $ [m²] corresponde a:

$$V_{\text{água}} = D_{\text{m2}} \times A \quad [\text{litros}]$$

3. Automatização de Fertirrigação e Atuação no Waveshare 6CH

O controlador assegura o acionamento sincronizado da válvula de rega primária (K1) e da bomba doseadora de concentrados nutritivos A+B (K2). Os tempos de trabalho são deduzidos a partir do débito dos emissores e bombas instalados:

$$t_{\text{K1 (água)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{água}}}{Q_{\text{gota}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{segundos}]$$

A injeção do fertilizante é fixada com base na taxa de diluição percentual $ F_{\text{pct}} $ (geralmente entre 0.7% e 1.5% do volume):

$$t_{\text{K2 (fertilizante)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{água}} \times \left( \frac{F_{\text{pct}}}{100} \right)}{Q_{\text{fert}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{segundos}]$$

Perfil de Cultura	Consumo Base ($ D_{\text{base}} $)	Proporção Nutritiva ($ F_{\text{pct}} $)	Indicações Agronómicas
Alface (GH_CROP_LETTUCE)	2.2 l/m²	0.7% (Baixa CE: 1.1–1.4 mS/cm)	Raízes superficiais; vulnerável a salinidade no substrato e necrose apical (tipburn).
Gérbera (GH_CROP_GERBERA)	4.5 l/m²	1.2% (CE moderada: 1.5–2.0 mS/cm)	Flor de corte; elevada exigência em potássio e ferro quelatado; risco de asfixia radicular ao colo.
Tomate (GH_CROP_TOMATO)	5.5 l/m²	1.5% (Alta CE: 2.2–2.8 mS/cm)	Elevada transpiração em dias quentes; alto consumo potássico durante o enchimento dos frutos.

4. Arrefecimento Evaporativo e Descompressão do VPD (Nebulização K3)

Durante picos de calor estival, os sistemas de ventilação comuns revelam-se insuficientes, conduzindo o VPD a níveis superiores ao limiar de 1.6 kPa. O microcontrolador ESP32-S3 comuta o relé K3 (Nebulização de Alta Pressão) perante a verificação simultânea dos parâmetros térmicos e de défice:

$$\text{Ativação K3} \iff \left( T \ge 28.0^\circ\text{C} \quad \wedge \quad \text{VPD} \ge 1.60\text{ kPa} \right)$$

As microgotículas nebulizadas evaporam-se imediatamente no ar quente, absorvendo o calor latente de vaporização (~2.45 MJ por quilo de água). Este fenómeno diminui a temperatura foliar entre 3 e 6°C e eleva a humidade, reintegrando o valor de VPD na faixa de fotossíntese ótima.

Arquitetura de Implementação: Controlo de Estufa no Waveshare 6CH

Integrado na lógica do ficheiro greenhouse_irrigation.c, o motor de cálculo assegura um controlo determinista em tempo real diretamente no microcontrolador ESP32-S3:

Autonomia Edge Completa (Sem Dependência de Nuvem): O cálculo contínuo de VPD, taxas de rega e tempos de corte ocorre na SRAM local em menos de 2 ms.
Precisão na Injeção Nutritiva: A operação sincronizada da válvula K1 e do injetor K2 impede sobredosagens e danos por salinidade radicular.
Proteção por Watchdog de Hardware: Cada canal é monitorizado por contadores decrescentes acionados por interrupção de hardware a 1 Hz, garantindo o fecho seguro das saídas em caso de falha de ligação[cite: 1, 5].

Arquitetura desenvolvida e certificada para o ecossistema ProPresta IT na placa de relés Waveshare ESP32-S3 6CH Relay[cite: 1, 2].