AGROSOFT 99
II Congresso da SBI-Agro


Interfaces Homem-Máquina em Equipamentos de 
Automação Agrícola


Autores

Alberto Araujo Lopes
Email: alberto@laa.pcs.usp.br
Vínculo: Estudante de Mestrado
Endereço: Laboratório de Automação Agrícola -LAA
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo -EPUSP
Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Av. Luciano Gualberto, trav. 3, 158 - São Paulo - SP - 05508-900
Fone: 0 xx 11 - 3818.5366 / 3818-5271,
 Fax: 0 xx 11 - 3818.5294

Carlos Eduardo Cugnasca
Email: cecugnas@usp.br
Vínculo: Professor Doutor
Endereço: Laboratório de Automação Agrícola -LAA
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo -EPUSP
Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Av. Luciano Gualberto, trav. 3, 158 - São Paulo - SP - 05508-900
Fone: 0 xx 11 - 3818.5366 / 3818-5271 ,
  Fax: 0 xx 11 - 3818.5294

Antonio Mauro Saraiva
Email: amsaraiv@usp.br
Vínculo: Professor Doutor
Endereço: Laboratório de Automação Agrícola -LAA
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo -EPUSP
Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Av. Luciano Gualberto, trav. 3, 158 - São Paulo - SP - 05508-900
Fone: 0 xx 11 - 3818.5366 / 3818-5271 ,
  Fax: 0 xx 11 - 3818.5294

Sérgio Miranda Paz
Email: smpaz@laa.pcs.usp.br
Vínculo: Professor
Endereço: Laboratório de Automação Agrícola -LAA
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo -EPUSP
Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Av. Luciano Gualberto, trav. 3, 158 - São Paulo - SP - 05508-900
Fone: 0 xx 11 - 3818.5366 / 3818-5271 ,
  Fax: 0 xx 11 - 3818.5294

Resumo

Nas últimas décadas, os sistemas digitais se desenvolveram a tal ponto que seu desempenho não é mais limitado apenas por memória ou processador, mas também por estruturas de comunicação de dados e interfaces homem-máquina (IHMs), que passam a exigir maior esforço de projeto. A melhora do tempo de resposta e da clareza da IHM, entre outros fatores, produz um aumento significativo no conforto para o usuário e na vazão de informações entre ele e o equipamento. Isso gera aumento de produtividade e diminuição de custos de treinamento e de correção de atuações incorretas.

Entre os projetos de equipamentos voltados para a automação agrícola, percebem-se atualmente poucas iniciativas em se pesquisar as características do usuário e do processo, e a elas adequar as IHMs. Com equipamentos operando em condições adversas, tal estudo é muito importante, pois pode significar o fracasso ou sucesso do projeto do equipamento como um todo.

Neste trabalho, será levantada a problemática do estudo das IHMs em equipamentos de automação, com ênfase em equipamentos agrícolas. Alguns exemplos de projeto de IHM são apresentados, incluindo projeto do grupo de pesquisa do LAA/EPUSP, de se implementar uma IHM para um sistema de controle de ambientes otimizada para transmissão remota de comandos (via Internet).

Abstract

During the last decades digital systems improved so much that not only is their performance limited by memory or processor but also by data communication framework and man-machine interface (MMI), demanding more project effort. Improving response time and MMI clarity, among other factors, improves the user’s comfort and the flow of information between the user and the machine. This improves productivity and reduces training and debugging costs.

Among machine projects related to agricultural automation, very few are researching user and process characteristics, trying to adjust  the MMIs to them. Since the machines work in harsh conditions, that kind of research is very important, because it can determine the success or failure of the project as a whole.

In this paper we discuss the problem of studying MMI for automation equipment, focusing on agricultural equipment. We present some examples of MMI projects, including one project developed by LAA/EPUSP research group which implements an MMI in a system for environment control, optimized for remote command transmission (through the Internet).

Palavras chaves

Automação agrícola, interfaces homem-máquina.

 

1. INTRODUÇÃO

Quando se utilizam as máquinas, substituindo ou complementando o ser humano, este deve interagir com elas para ditar as regras de controle ou monitorar o processo controlado. Para que tal interação seja bem sucedida, a comunicação entre as partes deve seguir regras ou códigos. Tanto o operador como a máquina devem respeitar suas mútuas capacidades: a máquina possui uma gramática de comandos finita e pequena devido às limitações tecnológicas; e o operador possui uma capacidade de compreensão que é função de seu nível de treinamento e de cultura. O projetista da máquina deve levar em conta tais fatores.

A interação entre homem e máquina se processa em duas etapas. A primeira é a entrada de dados ou comandos, e a segunda consiste na apresentação das informações, que são utilizadas para tomada de decisão. A partir daí, produzem-se novas informações que alimentarão a primeira etapa, fechando o ciclo. Se houver alto índice de falhas em alguma dessas interações, a operação do sistema pode ficar comprometida. Além disso, o estado de funcionamento do sistema é apresentado pela IHM. Por causa disso, é de extrema importância que ela seja cuidadosamente planejada. O estudo sistemático de IHMs é um campo bastante abrangente, envolvendo conhecimentos interdisciplinares e é objeto de pesquisa em instituições do mundo inteiro (Foley et al, 1990).

 

2. INTERFACES EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

À medida que os sistemas de automação foram instalados, muitas tarefas humanas nas linhas de produção passaram de atuação para supervisão, reduzindo mão de obra e tornando-a mais qualificada. O operador passou a lidar com painéis centrais com grande adensamento de instrumentos, e, portanto, com uma maior quantidade de informações (Moore et al, 1983).

Com a popularização do uso de computadores nos sistemas de controle, a pesquisa de interfaces nos ambientes de automação vai se confundindo com o estudo de IHMs de sistemas de computador, sempre levando em conta as características do processo.

Até pouco mais de uma década atrás, fatores limitadores de desempenho dos sistemas de computação eram a velocidade e o preço dos processadores e da memória. Hoje em dia, temos a situação em que entre os "gargalos" dos sistemas estão também as IHMs (que podem consumir grande carga de processamento, bem como tornar lenta a interação com o operador humano) e as tecnologias de comunicação.

Com relação às IHMs, vem sendo observada uma evolução discreta, ou seja, em etapas, desde a utilização de leitoras de cartões perfurados, passando pela utilização de terminais de linha de comando. Nos anos 70, a criação das interfaces "janeladas" (WIMP GUI- Windows, Icons, Menus and Pointing device Graphical User Interface – Interfaces Gráficas com o Usuário de Janelas, Ícones, Menus e Dispositivos apontadores) facilitou a popularização dos computadores pessoais nas duas décadas seguintes. No entanto, mesmo tais interfaces mais modernas podem ser armadilhas se utilizadas em ambientes distintos sem adaptações. Um exemplo seria o uso de um mouse em um equipamento montado em um caminhão ou um trator (Foley et al, 1990) (Brooks, 1993).

 

3. IHM EM EQUIPAMENTOS AGRÍCOLAS

Os sistemas de automação agrícola (AA) possuem características de uso muito particulares. De acordo com o processo automatizado, o sistema poderá ser de tempo real, o que significa que haverá requisitos de tempo também para a IHM. Pode-se citar, por exemplo, o caso de um equipamento Monitor de Semeadora. O sistema não pode admitir que a IHM consuma recursos do processador a ponto de gerar atrasos nas leituras, uma vez que há um fluxo de dados constante, vindo dos sensores da unidade semeadora (Saraiva, 1992).

Muitos sistemas de AA são instalados em equipamentos móveis. Tal condição não permite que uma série de tecnologias sejam utilizadas sem alterações, como mouse ou teclado (muitas vezes o operador do sistema é também o condutor do veículo, o que faz com que esteja com suas mãos e atenção divididas entre a operação do sistema e a condução do veículo), ou tubos de raios catódicos (que possuem velocidades de varredura incompatíveis com a taxa de retenção de imagens na retina do globo ocular humano em situações de vibração e velocidades como as de um trator, tornando fisicamente impossível sua utilização em certos equipamentos móveis). Além disso, o ambiente agrícola é caracterizado por fatores que são extremamente agressivos a equipamentos eletrônicos, como poeira, vento, calor, umidade, luz solar direta, entre outros. Por exemplo, a tela de um equipamento deve ser protegida de poeira ou água de chuva, se for utilizada em um trator aberto (Monson, 1996) (Saraiva, 1992).

Finalmente, além dos requisitos do sistema, deve ser levado em conta o próprio usuário. O operador do sistema pode ser um funcionário de baixo nível de escolaridade, porém com grande conhecimento do comportamento do processo produtivo e das plantas que são cultivadas. A IHM deverá conter apenas elementos familiares a ele, para não dificultar o seu uso. Além disso, seria interessante que o sistema utilizasse o conhecimento do usuário, através de técnicas de inteligência artificial, para melhorar a sua própria utilização. Assim, para garantir melhores resultados, os equipamentos deveriam ter a sua IHM com o operador adaptada a cada condição de utilização, respeitando as diferenças culturais de cada região ou país. Um mercado como o do Brasil, que possui características próprias, pode não aceitar da mesma forma um equipamento projetado para o americano, europeu ou australiano. Mesmo dentro do país o nível sócio-econômico e cultural é bastante heterogêneo, o que vai levar a adaptações importantes nos sistemas. No setor agrícola, tais características são ainda mais acentuadas, por ser um setor mais tradicionalista e avesso a novas tecnologias (Saraiva, 1992).

 

4. CONSIDERAÇÕES EM PROJETOS DE IHMs

Para o projeto conceitual de uma IHM, uma série de objetivos devem ser alcançados a fim de se obter uma IHM otimizada (Brooks, 1993) (Foley et al, 1990):

Esses objetivos podem ser correlacionados de forma negativa. Por exemplo, para um aumento de similaridade, poderia ser utilizada uma IHM tridimensional que representasse uma estufa em um sistema de controle de ambientes. No entanto, isso iria requerer uma maior carga de processamento, diminuindo o tempo de resposta do sistema. As decisões finais de projeto, portanto, caminharão para uma solução de compromisso entre os objetivos, buscando-se os melhores resultados (Brooks, 1993)(Foley et al, 1990).

Existem ainda considerações para o projeto visual e físico da IHM. Com relação à parte visual, devem ser utilizados estudos de cores, formas e distribuição física dos elementos para que a IHM tenha mais clareza, apelo visual e para que seu uso seja confortável. Deve-se também se utilizar a capacidade do usuário de distinguir cores e padrões para daí extrair mais informações e com mais rapidez (Brooks, 1993)(Foley et al, 1990)(Moore et al, 1983).

Com relação à parte física, devem ser levadas em conta as condições ambientais de utilização do sistema (luminosidade, calor, umidade, etc), bem como limitações do usuário (prever, por exemplo, casos de canhotos) e ergonomia. Mais uma vez, em um sistema de AA, é imperativo que se estude com clareza os requisitos físicos sob os quais o sistema irá operar, e adaptar o sistema para tais circunstâncias (Saraiva, 1992).

Por exemplo, Navas et al (1998) apresenta um sistema de controle de irrigação em estufa. A IHM apresenta um desenho esquemático das tubulações, válvulas, reservatório, etc. As condições de funcionamento são apresentadas de forma visual (tubulação utilizada em azul, tubulação não utilizada em cinza, nível do reservatório representado por altura da hachura no desenho). Assim, temos atendidos os objetivos clareza, facilidade de aprendizado, facilidade de memorização e similaridade.

Já Monson (1996) apresenta o estudo feito para o projeto da interface de um sistema de controle de aplicador de fertilizante instalado em um trator. A IHM é baseada naquela do ambiente Microsoft Windows®, com utilização de teclado e mouse adaptados para a operação pelo próprio condutor do veículo. Devido a esse fato, obteve-se consistência, facilidade de aprendizado (por usuários já acostumados com o Windows) e facilidade de memorização, além de um menor esforço na programação da interface por usar um pacote de software padronizado. Com um bom projeto da interface, também obteve-se clareza, ajuda ao usuário e ajuste a vários níveis de usuário. Aqui porém perdeu-se no item similaridade com o processo, o que poderia comprometer sua utilização em ambientes brasileiros, onde o operador da máquina conhece muito mais o processo agrícola do que a utilização de computadores.

 

5. PROJETO EM ANDAMENTO

O LAA-EPUSP conta atualmente com uma linha de trabalho que visa pesquisar melhorias nas IHMs dos sistemas de controle de ambientes (estufas). É um estudo que trata da questão de utilização da Internet como meio de transmissão de dados entre elementos de um sistema de controle ou supervisão para equipamentos agrícolas. O sistema proposto é composto de um módulo servidor, conectado ao sistema de controle e à Internet. Tal módulo gerencia a troca de mensagens entre o sistema de controle de ambientes e o módulo cliente, o qual é executado no computador do operador e implementa a IHM remota.

A linguagem de desenvolvimento do sistema é JAVA. Assim, teremos as seguintes vantagens: minimização do tamanho das mensagens cliente-servidor, modelamento do software em objetos e multithreading, utilização de browsers padrão no computador remoto (como Netscape Communicator® ou Internet Explorer®), dispensando a necessidade de instalação por parte do cliente e segurança interna da linguagem para aplicações distribuídas.

A implementação da IHM remota demandará uma série de novas considerações no projeto da mesma. Por exemplo, de acordo com o usuário da IHM, seja o operador usual, um supervisor, ou um especialista contratado para consultoria, deverá haver uma capacidade de personalização de IHM diferentes, pois cada um destes operadores irá requerer diferentes trocas de informação com o sistema. Outro problema está nos próprios dados trocados entre cliente e servidor. Como o tempo de resposta é imprevisível, deverá ser estudada uma forma de otimização das mensagens, de forma que o sistema preveja a informação que o operador vai solicitar em seguida. Assim, o tempo de espera pode ser diminuído, e a informação útil trocada pode ser maximizada.

Quanto à parte gráfica da IHM, estuda-se também a possibilidade de utilização de um paradigma espacial, modelando-se a estufa em três dimensões e permitindo-se ao usuário "navegar" virtualmente pela mesma, recebendo as informações visualmente, através de cores e formas. Para tanto, poderia ser utilizada a linguagem VRML (Virtual Modelling Marked-up Language), que já dispõe de navegadores adaptáveis aos browsers padrão Web através da tecnologia de plug-ins. Essa linguagem permite a interconexão com a linguagem JAVA para a criação dos elementos interativos e possui um padrão de arquivo bastante simples e compacto, o que seria interessante para a transmissão via Internet.

 

6. CONCLUSÃO E PRÓXIMOS PASSOS

Os problemas levantados apontam para um maior interesse e maior importância no estudo de interfaces homem-máquina no projeto de equipamentos de automação em geral e, em particular, de aplicações agrícolas. Percebe-se a importância das IHMs, pois nelas estão um foco de desenvolvimento que irá se reverter em melhoras significativas nos sistemas como um todo, como mostrado nos exemplos.

Em um próximo momento, será implementado um programa simulador de sistema de controle de estufa, que deverá gerar mensagens equivalentes às do sistema real. Em seguida, deverá ser implementada a IHM remota para o sistema de controle.

 

7. REFERÊNCIAS

  • Brooks, R. (1993) The Case for the Specialized Interface. IEEE-Software, 10, n. 2, 86-88.
  • Foley, J. D.; van Dam, A.; Feiner, S. K. e Hughes, J. F. (1990) Computer graphics principles and practices. Addison-Wesley, Reading, MA, EUA.
  • Monson, R. J. (1996) Effective Computer Interfaces on Mobile Agricultural Equipment, in Sixth International Conference on Computers in Agricultural - Proceedings of the Sixth International Symposium, ASAE, Cancún, Mexico.
  • Moore, J. A. e Herb, S. M. (1983) Understanding Distributed Process Control, Instrument Society of America, Research Triangle Park, EUA.
  • Navas, L. M.; de la Plaza, S.; García, J. L; Luna, L.; Benavente, R.; Muñoz, M.A.; Durán, J.M.; García, F. e Retamal N.(1998) Computer Program to Control the Supply of Water in Greenhouses in Proceedings of the 7th International Conference on Computers in Agriculture, Orlando, FL, USA.
  • Saraiva, A. M. (1992) Um equipamento para a Monitoração de Semeadoras de Sementes Graúdas, dissertação (mestrado), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo.
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