Apesar do desenvolvimento agrícola dos últimos 100 anos, que possibilitou elevados níveis de produção, a eco-eficiência na agricultura moderna necessita de um continuado reforço para suprir de forma dinâmica as necessidades futuras decorrentes do crescimento da população mundial. Para além da eficiência na utilização de fertilizantes e adubos, entre outros recursos, torna-se necessário incrementar a eficiência energética associada à atividade agrícola e desenvolver/promover soluções tecnológicas que possibilitem uma utilização mais eficiente da água. Para que estes objetivos sejam alcançáveis deverá enquadrar-se o desenvolvimento da atividade agrícola num sistema tecnológico integrado, cuja otimização inclua o solo, a energia e a água.

Os grandes desafios impostos pela Agriculta 4.0, assim como a necessidade de integração dos princípios base de índole tecnológica visando uma transição energética eco-eficiente, são essenciais para uma rápida modernização e optimização dos processos agrícolas e diminuição da consequente pegada carbónica e hídrica. Neste contexto, este projeto pretende desenvolver uma ferramenta de gestão agrícola capaz de dar resposta às mais recentes políticas europeias e apoiar o sector  para a transição energética que se impõe.
Os principais elementos climáticos que interferem no cultivo da videira são a radiação solar, temperatura, humidade relativa do ar, precipitação e velocidade do vento. Estes elementos influenciam o desenvolvimento da planta, assim como a ocorrência de pragas e doenças, determinando índices de produtividade e qualidade das uvas. 
O desenvolvimento de um sistema de gestão agrícola inteligente, capaz de controlar os factores de produção que interferem com o bom desenvolvimento da planta, integrado num sistema de monitorização apoiado pelos mais modernos sistemas sensoriais (sensores, sondas, imagens drones e SIGS), e utilizando o sistema de rega como veículo para a correção de carências no solo e na planta, constitui uma relevante oportunidade para o sector. Acresce que o sucesso das ações despoletadas pelo sistema serão ainda monitorizadas para comprovar a sua eficácia. Porém, neste contexto, acresce ainda a mais-valia indexada à utilização de sistemas fotovoltaicos.
Os aproveitamentos fotovoltaicos são uma tecnologia com viabilidade técnica e económica demonstrada, quer quando ligados à rede, para suprir parte dos consumos de energia elétrica de uma instalação, quer quando isolados da mesma. Neste último caso, estes aproveitamentos podem ser complementados com sistemas de armazenamento de energia, como baterias, e/ou com outras fontes energéticas de apoio, como aerogeradores.

De facto, com a integração de sistemas fotovoltaicos capazes que gerar contributo nas explorações agrícolas torna-se possível a:

• Otimização da radiação incidente em culturas, utilizando módulos fotovoltaicos colocados numa cota superior. 
• Gestão eficiente da energia e da água em sistemas isolados, dispondo de armazenamento de energia elétrica, em baterias, e de energia potencial, em reservatórios 
• Criação de ferramentas automatizadas de projeto, que, em função da área disponível, da cultura, da metodologia de rega, e das necessidades de recurso solar, devolvam o dimensionamento de um sistema agrivoltaico de irrigação
Em síntese, considera-se relevante a introdução, de forma eco-sustentável, de um sistema sensorial para integração e interpretação de dados baseados em Inteligência Artificial (IA), como algoritmos de aprendizagem automática capazes de medir e controlar todos os fatores que podem fazer variar este ecossistema, nomeadamente a “vitalidade do solo”, sem recurso à tradicional análise de solo que apresenta custos elevados e cuja informação leva tempo. Este sistema irá potenciar, o aumento de produtividade e a fixação de carbono no solo, bem como a preservação da biodiversidade do ecossistema, constituindo uma ferramenta de fácil acesso com uma interface intuitiva e simples, facilitando a gestão agrícola, otimizando a sua produção e gestão de recursos. 

 

Pretende-se desenvolver e implementar um sistema agrícola cyber-fisico consubstanciado num campo de demonstração de até 1 hectare onde a componente energética e de distribuição de água seja endereçada em conjunto. A componente energética incluirá painéis solares de elevada eficiência capazes de fornecer eletricidade às bombas de água, durante o dia. O armazenamento de energia segue a forma de energia potencial gravítica resultante do enchimento de tanques de água de pequena dimensão. Estes tanques são distribuídos pelo terreno, possibilitando a circulação da água assim garantir uma irrigação eficiente do ponto de vista energético, incluindo o período noturno.
O aproveitamentos fotovoltaicos na agricultura, que adota o conceito agrivoltaico, acarreta desafios tecnológicos e científicos, contudo potenciando a inovação prospetiva, acarreta necessidades de desenvolvimento experimental, a saber:
• Otimização da radiação incidente em culturas, utilizando módulos fotovoltaicos colocados numa cota superior, mediante controlo do ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos (tornando-se assim necessário desenvolver modelos que relacionem a radiação incidente com o crescimento das culturas).
• Gestão eco-eficiente da energia e da água em sistemas isolados, dispondo de armazenamento de energia elétrica, em baterias, e de energia potencial, em reservatórios. O sistema compreende a instalação fotovoltaica, baterias, um sistema de bombeamento, e um reservatório. Com a construção de modelos de previsão do recurso solar, e do conhecimento dos ciclos de rega, desenvolvem-se ainda algoritmos que otimizam a gestão da energia e da água, tornando o sistema eficiente e economicamente viável.
• Criação de ferramentas automatizadas que, em função da área disponível, da cultura, da metodologia de rega, e das necessidades de recurso solar, devolvam o dimensionamento de um sistema agrivoltaico de irrigação como o anterior, atendendo à otimização de critérios económicos.

No contexto, das tecnologias emergentes de última geração, propõe-se a criação de sistemas de monitorização, controlo e gestão inteligentes, apoiados num sistema fotovoltaico de autoconsumo de elevada eficiência energética, com tecnologias IoT, tais como redes LoRa Peer to Peer, que combinadas com comunicação via rede celular/satélite, podem monitorizar grandes áreas em tempo real. Estes dados podem ser armazenados em servidores especializados para Big Data, para fácil visualização e análise. Com acesso aos dados através de uma API, podem utilizar-se sistemas de Inteligência Artificial combinados, como Machine Learning para processamento dos dados agregados dos vários sensores, e Image Processing para classificação automática da evolução das culturas. Todo este conhecimento poderá ser ainda agregado numa ferramenta única, simples, facilmente escalável e low cost para analisar de forma eco-eficiente diferentes culturas, gerando alertas quando detetados desvios aos parâmetros desejados, e apontar recomendações aos agricultores. Com a capacidade de acesso à informação que permite uma tomada de decisão ágil a atividade agrícola torna-se mais eficiente, rentável e aliciante. 

Os sistemas de rega irão atuar como sistema atuador, regulando a humidade do solo e a adição de todos os nutrientes ao solo através de um sistema de fertirega. 
O controlo de maturação das uvas será realizado através de um sistema robotizado terrestre ou aéreo autónomo (com camaras multiespectrais), garantindo-se que será possível obter imagens superiores (UAV) e inferiores (UGV) das fileiras, que serão fundamentais para posterior análise e determinação dos níveis de maturação. 

Com a introdução deste sistema possibilita-se a adoção de processos apoiados em energias renováveis de autoconsumo em campos agrícolas, minimizando consumos elétricos e criando um sistema de rega autónomo baseado no armazenamento de energia potencial gravítica. Prevê-se, com a adoção desta tecnologia, reduzir a pegada carbónica, hídrica e ambiental e o custo de produção, a par do aumento da qualidade do produto final.