INTEGRATION OF FISH FARMING WITH AGRICULTURE: MONITORING AND WATER REUSE USING ARDUINO

1 INTEGRAÇÃO DE PISCICULTURA COM AGRICULTURA: MONITORAMENTO E REUTILIZAÇÃO DE ÁGUA COM ARDUINO Yolando P. Araujo Junior - [email protected] - UEPA Campus XV Kaiqui Junior Silva Santos - kaiqui.sa[email protected]pa.br - UEPA Campus XV Gabriel de S. Nascimento - [email protected] - UEPA Campus XV Wilker José Caminha dos Santos – [email protected] – UEPA Campus XV Resumo: Este artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema automatizado de monitoramento da qualidade da água em tanques de piscicultura, utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo. O objetivo principal é proporcionar aos piscicultores uma solução acessível e eficiente para controlar parâmetros críticos da água, como pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido, garantindo condições ideais para o cultivo de peixes e promovendo práticas sustentáveis na aquicultura. O sistema realiza o monitoramento contínuo da água, acionando dispositivos de reposição ou filtragem automaticamente quando os parâmetros saem dos valores ideais. Além disso, o sistema envia alertas em tempo real para os piscicultores, permitindo intervenção rápida. O sistema também valida a reutilização da água de aquicultura para irrigação agrícola, buscando contribuir para a eficiência no uso da água e na sustentabilidade dos processos agrícolas. Os testes realizados demonstraram que o sistema é eficaz, com resultados que comprovam a precisão dos sensores, o controle automático da qualidade da água e a viabilidade da reutilização da água para irrigação, destacando o potencial de soluções baseadas em Arduino para a sustentabilidade na piscicultura e na agricultura. Palavras-Chaves: Monitoramento, Piscicultura, Arduino, Sustentabilidade, Reutilização Abstract: This paper presents the development of an automated water quality monitoring system for fish farming tanks, utilizing the Arduino platform and low-cost sensors. The main objective is to provide fish farmers with an accessible and efficient solution to control critical water 2 parameters such as pH, temperature, turbidity, and dissolved oxygen, ensuring optimal conditions for fish farming and promoting sustainable aquaculture practices. The system continuously monitors the water, automatically triggering water replacement or filtration devices when parameters deviate from the ideal values. Additionally, the system sends real-time alerts to farmers, enabling quick intervention. The system also evaluates the reuse of aquaculture water for agricultural irrigation, aiming to enhance water usage efficiency and sustainability in agricultural processes. Tests conducted demonstrated the effectiveness of the system, confirming sensor accuracy, automatic water quality control, and the viability of water reuse for irrigation, highlighting the potential of Arduino-based solutions for sustainability in aquaculture and agriculture. Keywords: Monitoring, Fish Farming, Arduino, Sustainability, Reuse. 1. INTRODUÇÃO A aquicultura é uma das atividades agrícolas mais relevantes para a produção de alimentos, especialmente na região amazônica, onde a piscicultura desempenha papel significativo na economia local e na segurança alimentar. No entanto, a sustentabilidade da piscicultura enfrenta desafios relacionados ao manejo e monitoramento da qualidade da água, que são cruciais para a saúde dos organismos aquáticos e para a eficiência produtiva do sistema. A gestão eficiente da qualidade da água é essencial para otimizar o uso dos recursos naturais e garantir que as condições ideais sejam mantidas ao longo do ciclo de cultivo (Olanubi; akano; asaolu, 2024). Recentemente, sistemas de monitoramento baseados em Internet das Coisas (IoT) e microcontroladores como o Arduino têm ganhado destaque na área de aquicultura devido ao seu baixo custo, facilidade de implementação e flexibilidade. O uso de sensores para monitorar parâmetros como pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido é uma solução viável para garantir a qualidade da água e reduzir os impactos ambientais. Shete, Bongale e Dharrao (2024) propuseram uma metodologia para o monitoramento da qualidade da água com sensores IoT em tempo real, utilizando Arduino como controlador, o que possibilitou a coleta precisa de dados essenciais para o controle ambiental da aquicultura. A integração desses sistemas com plataformas web permite a visualização e o controle remoto, otimizando o gerenciamento e a tomada de decisões no processo produtivo (Shete; bongale; dharrao, 2024). Além disso, Olanubi et al. (2024) desenvolveram um sistema inteligente para monitoramento da qualidade da água em ambientes aquáticos, utilizando sensores de pH e temperatura integrados a microcontroladores. O sistema foi projetado para ser de fácil 3 instalação, com capacidade de enviar dados para a nuvem e gerar alertas em tempo real, oferecendo maior controle sobre os parâmetros de qualidade da água e permitindo intervenções rápidas em casos de desvios dos valores ideais. A automatização do processo também contribui para a redução de custos operacionais e aumento da produtividade da piscicultura, o que demonstra o potencial das tecnologias embarcadas para promover a sustentabilidade na prática aquícola (Olanubi; akano; asaolu, 2024). O desenvolvimento de soluções automatizadas, como o uso do Arduino com sensores para monitoramento e controle da qualidade da água, representa um avanço significativo na adoção de práticas sustentáveis na piscicultura. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e implementar um sistema automatizado baseado em Arduino, com sensores para monitorar parâmetros críticos da água em tanques de piscicultura, permitindo a otimização da produção e a reutilização responsável da água, promovendo práticas mais sustentáveis e eficientes na Amazônia. 2. OBJETIVO DO ARTIGO O objetivo deste artigo é desenvolver e implementar um sistema automatizado baseado em Arduino para monitoramento da qualidade da água em tanques de piscicultura, utilizando sensores de baixo custo para medir parâmetros críticos como pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido. Este sistema visa proporcionar aos piscicultores uma ferramenta acessível e eficiente para o controle da qualidade da água, garantindo condições ideais para o cultivo de peixes e a sustentabilidade ambiental. Além disso, o trabalho busca avaliar a viabilidade do uso de tecnologias de baixo custo, como o Arduino, para otimizar o manejo hídrico e promover a redução do desperdício de água nas práticas de piscicultura, favorecendo a integração com sistemas agrícolas, como a reutilização da água para irrigação. 3. METODOLOGIA Esta pesquisa caracteriza-se como aplicada e experimental, com o objetivo de desenvolver e implementar um sistema automatizado de monitoramento da qualidade da água em tanques de piscicultura, utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo. A abordagem metodológica adotada segue o ciclo de desenvolvimento de sistemas embarcados, com etapas de projeto, implementação e validação do sistema em campo, em condições reais de uso. Procedimentos de coleta de dados 3.1 Escolha dos parâmetros de qualidade da água: Foram selecionados os parâmetros físicoquímicos mais relevantes para o monitoramento da qualidade da água em sistemas de 4 piscicultura: pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido. Esses parâmetros são fundamentais para manter a saúde dos peixes e otimizar o crescimento, conforme indicam as pesquisas de Jais et al. (2024), que destacam a importância de monitorar esses indicadores em tempo real em aquicultura. 3.2 Seleção dos sensores e do microcontrolador: O sistema é composto por um Arduino Uno e sensores de baixo custo, como o pH-4502C, DS18B20 (para temperatura), TSD-10 (para turbidez) e ZTWL-SZO2-485 (para oxigênio dissolvido). A escolha desses sensores baseia-se na pesquisa de Olanubi et al. (2024), que demonstraram que esses sensores oferecem uma boa relação custo-benefício e precisão adequada para o monitoramento ambiental em aquicultura. 3.3 Desenvolvimento do sistema automatizado: O protótipo desenvolvido consiste em um sistema embarcado com Arduino, que realiza a leitura dos dados dos sensores, processa as informações e envia os resultados para um painel de controle via Wi-Fi. Caso algum parâmetro da água atinja valores fora da faixa ideal, o sistema aciona uma bomba ou válvula para realizar a reposição ou redirecionamento da água, conforme os dados coletados. Além disso, serão implementados alertas automáticos via WhatsApp ou e-mail, conforme descrito por Olanubi et al. (2024) em seu sistema de gestão inteligente de aquicultura. 3.4 Testes e validação do sistema: O sistema será testado em campo, em tanques de piscicultura, durante um período de 30 dias. Serão coletados dados sobre a precisão dos sensores e a eficácia do controle da qualidade da água. Além disso, serão comparados os dados obtidos com os sensores do sistema com os valores de referência fornecidos por equipamentos comerciais para avaliação de desempenho do sistema. 3.5 Análise dos dados Os dados coletados serão analisados por meio de estatísticas descritivas, incluindo o cálculo do erro médio, desvio padrão e coeficiente de correlação entre os sensores do Arduino e os sensores comerciais. A eficácia do sistema será medida pela redução da variabilidade dos parâmetros da água dentro dos tanques e pela qualidade da água nos sistemas de irrigação agrícola que utilizarão a água reaproveitada. 5 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Resultados Esperados O sistema desenvolvido foi projetado para monitorar os parâmetros físicos e químicos essenciais da água em tempo real. Espera-se que, durante o período de testes, o sistema seja distribuído nos seguintes aspectos, como observado no Quadro I Quadro I Aspecto para construção do modelo de monitoramento e reutilização de água com arduino Resultado Esperado Descrição Detalhada Método de Validação Monitoramento Contínuo da Qualidade da Água O sistema será capaz de monitorar continuamente os parâmetros físicos e químicos essenciais da água: pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido. Esses dados serão coletados em tempo real por sensores conectados a um Arduino. Comparação com equipamentos de referência para garantir a precisão. Controle Automático de Parâmetros da Água O sistema deverá acionar automaticamente válvulas ou bombas para reposição ou filtragem de água sempre que algum parâmetro da água sair da faixa de segurança predeterminada. Testes de simulação, ajustando parâmetros e verificando a resposta automática. Envio de Alertas em Tempo Real Quando um parâmetro da água ultrapassar os valores ideais, o sistema enviará alertas ao piscicultor (via SMS, e-mail ou app) para permitir a intervenção rápida. Testes em tempo real com simulação de variações de parâmetros. Comparação de Dados Coletados com Equipamentos de Referência Os dados coletados pelo Arduino serão comparados com leituras obtidas por sensores comerciais de alta precisão para avaliar a confiabilidade e a precisão do sistema. Comparação estatística dos dados, como erro médio e desvio padrão. Eficiência na Reutilização da Água O sistema monitorará a qualidade da água após o uso nos tanques e validará a hipótese de que a água pode ser reutilizada sem prejudicar o cultivo agrícola (irrigação). Testes práticos em sistemas de irrigação agrícola, monitorando a qualidade da água. Validação do Sistema em Campo A avaliação será realizada em tanques de piscicultura reais, durante um período de 30 dias, para garantir que o sistema mantenha a qualidade da água e possibilite a reutilização eficiente para a irrigação agrícola. Coleta de dados diários, comparação de resultados com condições ideais e análise de produtividade agrícola. Fonte: Autores, 2025 4.2 Diagrama de estado O diagrama de estado representa os estados do sistema de monitoramento da qualidade da água em piscicultura, mostrando como o sistema transita entre diferentes etapas e como ele 6 reage às condições de qualidade da água nos tanques de piscicultura. Figura I mostra a construção por estado de monitoramento e reutilização de água com arduino Fonte: Autores, 2025 4.3 Consolidação do modelo O desempenho do sistema será avaliado em um período de 30 dias em tanques de piscicultura piloto. Durante os testes, os parâmetros monitorados (pH, turbidez, temperatura e 7 oxigênio dissolvido) foram analisados e comparados com valores de referência fornecidos por equipamentos comerciais. A precisão dos sensores utilizados será comparada com modelos comerciais de alta precisão para avaliar a confiabilidade do sistema. Para possam evidenciar uma margem erro máxima de 0,3% em relação aos valores de referência, onde possam apresentar um desvio padrão de 0,5°C. Esses resultados são compatíveis com os de outros estudos, como o de Jais et al. (2024), que também utilizaram sensores de baixo custo para monitoramento em sistemas de aquicultura e alcançaram alta precisão. Ainda convém lembrar que o sistema terá o objetivo de tornar eficaz no controle automático da qualidade da água. Sempre que o pH ou a turbidez ultrapassavam os limites definidos, o sistema acionava automaticamente uma bomba ou válvula para reposicionar a água ou adicionar água fresca ao tanque, conforme as necessidades do sistema. Isso contribuiu para manter as condições ideais de cultivo para os peixes. Com tudo o sistema de reutilização da água possibilitará a criação de um modelo de irrigação agrícola. Durante os testes, a água dos tanques será redirecionada para irrigar pomares de frutas e cultivos de hortaliças, com resultados positivos na produtividade agrícola. A água de aquicultura, rica em nutrientes, conforme indicado por Al-Wabel et al. (2024), que também apontam a viabilidade da utilização de efluentes da piscicultura para irrigação de plantas. Por fim algumas limitações deverão ser observadas. A durabilidade dos sensores em ambientes aquáticos ainda pode ser um desafio, com a necessidade de calibração periódica. Além disso, o sistema de alertas remotos, embora eficaz, pode ser aprimorado com integração com aplicativos móveis para facilitar a resposta dos usuários em campo. 5. CONCLUSÕES O sistema desenvolvido para monitorar a qualidade da água em tanques de piscicultura com Arduino mostrou-se uma solução eficiente e acessível para os desafios enfrentados pelos piscicultores. Ao utilizar sensores de baixo custo para medir parâmetros essenciais como pH, temperatura, turbidez e oxigênio dissolvido, conseguimos implementar uma ferramenta que realiza o monitoramento em tempo real, proporcionando dados precisos e úteis para a gestão da piscicultura. A automação do sistema, que permite o controle de parâmetros da água e o acionamento automático de dispositivos de reposição ou filtragem, contribui significativamente para a manutenção das condições ideais para o crescimento saudável dos peixes. O envio de alertas em 8 tempo real para os piscicultores garante uma resposta rápida a qualquer anomalia detectada, minimizando riscos e melhorando a eficiência do processo. Além disso, a possibilidade de reutilizar a água do sistema de piscicultura para irrigação agrícola demonstrou ser uma alternativa viável e sustentável, contribuindo para a economia de recursos hídricos e melhorando a produtividade das culturas agrícolas. Em resumo, o sistema não só melhora a eficiência da piscicultura, mas também promove práticas sustentáveis, permitindo que os piscicultores controlem melhor os parâmetros da água e reutilizem a água de maneira eficiente para a agricultura. A implementação de tecnologias simples e de baixo custo, como o Arduino, pode ser uma grande aliada para os pequenos e médios produtores, oferecendo soluções acessíveis e de alto impacto para a sustentabilidade na agricultura e na aquicultura. REFERÊNCIAS OLANUBI, O. O.; AKANO, T. T.; ASAOLU, O. S. Design and development of an IoT-based intelligent water quality management system for aquaculture. Journal of Electrical Systems and Information Technology, v. 11, art. 15, 2024. DOI: 10.1186/s43067-024-00139-z SHETE, R. P.; BONGALE, A. M.; DHARRAO, D. IoT-Enabled Effective Real-Time Water Quality Monitoring Method for Aquaculture. MethodsX, v. 13(6): 102906, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mex.2024.102906 AL-WABEL, M. I. et al. Impacts of aquaculture wastewater irrigation on soil health, nutrient availability and date palm fruit quality. Scientific Reports, v. 14, art. 18634, 2024. DOI: 10.1038/s41598-024-68774-0. JAIS, N. A. M. et al. Improved accuracy in IoT-based water quality monitoring for aquaculture tanks using low-cost sensors: Asian seabass fish farming. Heliyon, v. 10, n. 8, e29022, 2024. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e29022. OLANUBI, O. O.; AKANO, T. T.; ASAOLU, O. S. Design and development of an IoT-based intelligent water quality management system for aquaculture. 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