The unwanted and adverse weeds that are constantly growing in vineyards,
force wine producers to repeatedly remove them through the use of mechanical
and chemical methods. These methods include machinery such
as plows and brushcutters, and chemicals as herbicides to remove and
prevent the growth of weeds both in the inter-row and under-vine areas.
Nonetheless, such methods are considered very aggressive for vines, and, in
the second case, harmful for the public health, since chemicals may remain
in the environment and hence contaminate water lines. Moreover, such
processes have to be repeated over the year, making it extremely expensive
and toilsome. Using animals, usually ovines, is an ancient practice used
around the world. Animals, grazing in vineyards, feed from the unwanted
weeds and fertilize the soil, in an inexpensive, ecological and sustainable
way. However, sheep may be dangerous to vines since they tend to feed
on grapes and on the lower branches of the vines, which causes enormous
production losses. To overcome that issue, sheep were traditionally used to
weed vineyards only before the beginning of the growth cycle of grapevines,
thus still requiring the use of mechanical and/or chemical methods during the
remainder of the production cycle.
To mitigate the problems above, a new technological solution was investigated
under the scope of the SheepIT project and developed in the
scope of this thesis. The system monitors sheep during grazing periods on
vineyards and implements a posture control mechanism to instruct them to
feed only from the undesired weeds. This mechanism is based on an IoT
architecture, being designed to be compact and energy efficient, allowing it to
be carried by sheep while attaining an autonomy of weeks.
In this context, the thesis herein sustained states that it is possible to
design an IoT-based system capable of monitoring and conditioning sheep’s
posture, enabling a safe weeding process in vineyards. Moreover, we support
such thesis in three main pillars that match the main contributions of this
work and that are duly explored and validated, namely: the IoT architecture
design and required communications, a posture control mechanism and
the support for a low-cost and low-power localization mechanism. The
system architecture is validated mainly in simulation context while the posture
control mechanism is validated both in simulations and field experiments.
Furthermore, we demonstrate the feasibility of the system and the contribution
of this work towards the first commercial version of the system.O constante crescimento de ervas infestantes obriga os produtores a manter
um processo contínuo de remoção das mesmas com recurso a mecanismos
mecânicos e/ou químicos. Entre os mais populares, destacam-se o uso de
arados e roçadores no primeiro grupo, e o uso de herbicidas no segundo
grupo. No entanto, estes mecanismos são considerados agressivos para as
videiras, assim como no segundo caso perigosos para a saúde pública, visto
que os químicos podem permanecer no ambiente, contaminando frutos e
linhas de água. Adicionalmente, estes processos são caros e exigem mão de
obra que escasseia nos dias de hoje, agravado pela necessidade destes processos
necessitarem de serem repetidos mais do que uma vez ao longo do
ano. O uso de animais, particularmente ovelhas, para controlar o crescimento
de infestantes é uma prática ancestral usada em todo o mundo. As ovelhas,
enquanto pastam, controlam o crescimento das ervas infestantes, ao mesmo
tempo que fertilizam o solo de forma gratuita, ecológica e sustentável. Não
obstante, este método foi sendo abandonado visto que os animais também
se alimentam da rama, rebentos e frutos da videira, provocando naturais
estragos e prejuízos produtivos.
Para mitigar este problema, uma nova solução baseada em tecnologias
de Internet das Coisas é proposta no âmbito do projeto SheepIT, cuja espinha
dorsal foi construída no âmbito desta tese. O sistema monitoriza as ovelhas
enquanto estas pastoreiam nas vinhas, e implementam um mecanismo de
controlo de postura que condiciona o seu comportamento de forma a que se
alimentem apenas das ervas infestantes. O sistema foi incorporado numa
infraestrutura de Internet das Coisas com comunicações sem fios de baixo
consumo para recolha de dados e que permite semanas de autonomia,
mantendo os dispositivos com um tamanho adequado aos animais.
Neste contexto, a tese suportada neste trabalho defende que é possível
projetar uma sistema baseado em tecnologias de Internet das Coisas,
capaz de monitorizar e condicionar a postura de ovelhas, permitindo que
estas pastem em vinhas sem comprometer as videiras e as uvas. A tese
é suportada em três pilares fundamentais que se refletem nos principais
contributos do trabalho, particularmente: a arquitetura do sistema e respetivo
sistema de comunicações; o mecanismo de controlo de postura; e o suporte
para implementação de um sistema de localização de baixo custo e baixo
consumo energético. A arquitetura é validada em contexto de simulação,
e o mecanismo de controlo de postura em contexto de simulação e de
experiências em campo. É também demonstrado o funcionamento do
sistema e o contributo deste trabalho para a conceção da primeira versão
comercial do sistema.Programa Doutoral em Informátic