El empleo de esta tecnología supone una mejora de la competitividad del sector productivo, al optimizar el consumo de agua

Herramientas avanzadas integrales de sensores y sistemas de gestión en la nube aplicados al control de los cultivos

A. Ruiz-Canales¹, M. J. Oates¹, J.J. Pérez Solano², J.M. Molina-Martínez³ ¹Departamento de Ingeniería, Escuela Politécnica Superior de Orihuela (EPSO-UMH)² Departamento de Informática, Escuela Técnica Superior de Ingenería, Universidad de Valencia ³ Grupo de Investigación de Ingeniería Agromótica y del Mar (UPCT)07/02/2018

Las actuales tecnologías para acceder a redes de áreas locales y metropolitanas, en inglés ‘Local and Metropolitan Area Networks’ (LANs and MANs) son a menudo inapropiadas para instalaciones a gran escala en el entorno agrícola. En determinadas áreas rurales, tanto GPRS (teléfonos móviles) como el acceso de WiFi tienen baja señal o inexistente. Además, el coste de estas tecnologías, tanto en términos del hardware actual y de requerimientos de energía, es muy elevado. En este artículo se presentan cuáles pueden ser las soluciones más efectivas para controlar los cultivos desde la nube.

Las soluciones de onda corta de radio no son efectivas en muchas ocasiones dada la gran cantidad, extensión y variabilidad de datos agroambientales que se manejan y la orografía variable, con zonas a menudo montañosas o boscosas en las que tales unidades deben operar. Las soluciones comerciales basadas en tecnología ‘Io’, como ‘SIGFOX’, demandan una alta cobertura geográfica, pero están principalmente dirigidas a áreas residenciales para aplicaciones de medida, lectura, etc. Pese a ello, la solución Libellium's Waspmote (LORA WAN solution) puede resultar excesivamente cara, dado el gran número potencial de nudos que se requieren para monitoreo práctico de cultivos y control.

El uso de los transductores extendidos Spectrum de bajo coste desarrollados recientemente (Low Cost Spread Spectrum Transceivers, tales como RFM69 y LORA RFM95/6/7) permitiría el desarrollo de redes malladas en el rango de 10 m a 10 km. Se usarían baterías de coste y consumo bajos, los nodos funcionarían con energía solar y se cubrirían grandes áreas de zonas agrícolas (potencialmente muchos miles de hectáreas). Los costes de los componentes de un nodo pueden estar en torno a 20 y 40 Euros. Sería posible entonces interconectar esta red a redes convencionales (Wide Area Network) en puntos clave dentro de la malla, para permitir acceso remoto de datos y gestión. Por otra parte, el empleo de estas redes de comunicaciones para conectar dispositivos de automatización y telecontrol de los sistemas de riego, permite registrar y repartir el agua con diversas herramientas tecnológicas proporcionadas por la electrónica digital. En zonas semiáridas del Mediterráneo, como el sureste de la península ibérica, es básica una gestión eficiente del agua de riego. Por la importancia de la agricultura de regadío, con escasas precipitaciones y uso de aguas salinas, los agricultores deben optimizar la eficiencia de uso del agua, así como usar estrategias y métodos de programación de riego más eficientes. Alternativas más competitivas permitirían extender estas herramientas a un mayor número de usuarios y controlarían mejor los recursos hídricos en agricultura.

Introducción

Aunque las redes de sensores admiten diferentes tipos de arquitecturas, las redes malladas (‘mesh’) (Akyildiz et al., 2005) son, actualmente, las más aconsejables, ya que ofrecen gran facilidad de despliegue y autonomía. Por contrapartida, este tipo de redes presentan problemas de escalabilidad (más aun considerando potencialmente decenas de nodos) y por ello soluciones jerarquizadas en torno a clusters serán las más aptas para garantizar el tamaño necesario (Liao et al., 2013). Una red mallada es una red inalámbrica en la que no todos los nodos están en visión directa del resto de nodos, por lo que para comunicarse entre sí necesitan establecer un trayecto de múltiples saltos. Además, la red funciona de forma distribuida y tiene una capacidad de autoconfiguración. Las ventajas de este tipo de redes son: a) una extensión de la cobertura de la red sin necesidad de incrementar la potencia de transmisión (con la consiguiente mejora del tiempo de vida de la batería) o la sensibilidad del receptor, b) mayor fiabilidad gracias a la existencia de redundancia de caminos y c) configuración de red sencilla.

Esta tecnología está siendo rápidamente aceptada en ámbitos con requerimientos estrictos (redes metropolitanas, redes de empresa, automatización de edificios y factorías, etc.). La tecnología que mejor se adapta a las características de las redes malladas por su reducido consumo de potencia y bajo coste son las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4 (ZigBee), aunque también se pueden aplicar comunicaciones basadas en IEEE 802.11 (WiFi) e IEEE 802.15.1 (Bluetooth).

Las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) (Centenaro et al., 2013) se han diseñado para funcionar con nodos alimentados por baterías y constituyen una seria alternativa a las redes malladas para la constitución de la red de captación. Pueden organizarse como una red a escala regional, nacional o global y permiten una comunicación bidireccional segura, con enlaces que alcanzan distancias de varios kilómetros. La principal diferencia con las redes malladas es su estructura, ya que en este caso no existe una comunicación multisalto, y la comunicación se establece directamente entre un nodo sensor y una estación base que hace el papel de gateway. Las LPWAN están pensadas para proporcionar una interoperabilidad e interconexión en el despliegue de redes basadas en el concepto de Internet de las Cosas, cuyas aplicaciones principales son comunicaciones M2M (machine to machine) y contadores inteligentes. Algunos ejemplos de tecnologías dentro de este grupo son SigFox y LoRaWAN.

Para la interoperabilidad de los diversos niveles que integran la red es fundamental la integración de protocolos que permitan un transvase directo de la información. En este escenario la pila de protocolos IP, en la que se basa el funcionamiento de Internet, proporciona un entorno ideal al poder contar con versiones adaptadas a las características de las redes malladas con el estándar 6Lowpan (IPv6 sobre Low power Wireless Personal Area Networks) (Ramos et al., 2013). En el presente proyecto se pretende dar una solución global adaptada a los requisitos intrínsecos de los sistemas agrarios que tienen fuertes restricciones en cuanto a consumo de potencia, accesibilidad a los nodos y fiabilidad de la red.

En ciencias agrícolas, la determinación de las necesidades de agua de un cultivo a lo largo del tiempo se basa en medidas del balance de agua en el suelo, medidas en planta y demanda evaporativa. El uso de medidas de la humedad del suelo se ha adoptado como una estrategia adecuada para la estimación del balance de agua en el suelo y se han desarrollado muchos métodos para medirlo (Albaugh et al., 2014). El objetivo último de estas técnicas es suministrar a los agricultores una información sobre los volúmenes de riego más apropiados para aplicar en cada período fenológico del cultivo, dependiendo de los niveles deseados de rendimiento y otros parámetros. Para la determinación de la humedad del suelo se emplea un rango amplio de sensores (Vienken et al., 2013). Hay un amplio rango de técnicas de medidas de la humedad del suelo basadas en la electricidad y se han aplicado en la prospección geofísica (Linck y Fassbinder, 2014) y agronomía (Fatas et al., 2014), entre otros. En estas técnicas de medida se incluyen métodos de resistividad como el método Wenner (Jiao-Jun et al., 2014), matrices de Schlumberger (Mosuro et al., 2012), métodos capacitivos como la reflectrometría del dominio de frecuencia (FDR) (Al-Asadi y Mouazen, 2014) y reflectrometría del dominio del tiempo (TDR) (Janik et al., 2014) así como las técnicas basadas en radiación como la sonda de neutrones (Kodikara et al., 2014).

Las más simples son las técnicas de resistividad (Igboama y Ugwu, 2011), que se ven afectadas por una gran variedad de condiciones del suelo como la composición (Kibria y Hossain, 2014), textura (Hadzick et al., 2011), variación del pH (Islami et al., 2012), salinidad (Velstra et al., 2011) y temperatura (Newill et al., 2014) pueden tener una efectividad alta en la detección de cambios relativos de los niveles de humedad del suelo. En particular, la temperatura del suelo puede afectar a las propiedades electroquímicas del suelo muestreado. Para complicarlo más, la temperatura del suelo puede variar significativamente en unos pocos centímetros de profundidad en áreas donde hay cambios significativos en la superficie entre el día y la noche (Brocca et al., 2014). Esto se refleja como un retraso temporal a medida que aumenta la profundidad (Huang et al., 2013).

Ejemplo de red con soluciones en la nube para monitoreo del clima.

Redes globales de gestión y monitorización de un sistema agrario

Algunas de las herramientas avanzadas en esta tecnología descrita consisten en redes globales de gestión y monitorización de un sistema agrario. Éstas incluyen toda la infraestructura necesaria así como los nodos hardware de sensorización de bajo coste. Se le añade el software correspondiente para implementar el nivel de red de captación complementando las soluciones comerciales que existen en el mercado. Las tecnologías actuales que incluyen estas redes malladas son de tipo Zigbee y en redes LPWAN. Dependiendo de la tecnología empleada se pueden establecer diferentes escalas geográficas y condiciones variables. Se usan en un amplio abanico de aplicaciones, desde recopilación de datos para programación en riego hasta telecontrol de precisión y gestión en tiempo real.

Conclusiones

Este tipo de sistemas integrales permiten una arquitectura de red abierta, escalable y modular para acceder a la información y la gestión del sistema desde cualquier dispositivo conectado a Internet.
Estos sistemas de bajo coste se pueden emplear en la gestión del riego y se basan en sistemas integrados, con sensores de suelo, planta y atmósfera y permiten conocer los consumos de agua en tiempo real, estudiar la respuesta de los cultivos a diferentes condiciones edafoclimáticas, determinar los coeficientes de cultivo y reajustar los modelos matemáticos empleados para la estimación de las necesidades de agua, crecimiento, evolución de parámetros vegetativos, entre otros, de los cultivos. Se mejora así el conocimiento científico disponible hasta el momento, posibilitando su empleo en centros de investigación de ámbito nacional e internacional que necesiten estudiar los consumos de agua en diferentes condiciones de producción hortícola.
Se puede programar de forma óptima el riego de los cultivos hortícolas mediante sensores suelo-planta-atmósfera.
Disminuye el impacto ambiental del regadío: la optimización del riego y, por tanto, la reducción de los fertilizantes aportados durante el riego, evitará la contaminación de los acuíferos y ayudará a solventar el problema de eutrofización marina mediante la reducción de nitratos percolados, y la reducción del consumo de energía supondrá una disminución en la emisión de gases de efecto invernadero.
Mejora de la competitividad del sector productivo. El empleo de esta tecnología supone una mejora de la competitividad del sector productivo, al optimizar el consumo de agua.

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