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El artículo presenta tres sensores de bajo coste para el control de los parámetros de riego en instalaciones agrícolas

Sensores de bajo coste aplicados al control de los cultivos

A. Ruiz-Canales 1, M. J. Oates 1, J.J. Pérez Solano 2, J.M. Molina-Martínez 3

1 Departamento 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)

19/02/2018
La medición de la humedad del suelo y la intensidad de luz son parámetros empleados en la gestión de los cultivos. Para determinar estos parámetros, se emplean muchos tipos de sensores. Las mediciones se ven afectadas por muchos factores ambientales, como la temperatura del aire y el suelo, la longitud de las sondas, entre otros, que pueden causar una determinación incorrecta de los niveles de los parámetros medidos. En consecuencia, esto puede conducir a una mala medición y una gestión errónea. Se describen en este artículo tres sensores de bajo coste para la medida de la humedad del suelo y el análisis de la luz solar para la gestión del riego en explotaciones agrícolas. La primera emplea la medida de la resistividad de Wenner para la medida de la humedad del suelo, la segunda mide también este parámetro mediante una sonda FDR y la tercera mide la luz solar mediante diodos LED dopados. Estos dispositivos tienen un precio competitivo y son adecuados para la gestión del agua en los cultivos.

Introducción

La agricultura de regadío es la que genera una mayor producción en comparación con la agricultura de secano. Aproximadamente el 75% del uso consuntivo de agua es para el riego agrícola (Dursun y Ozden, 2010). Sin embargo, la gestión eficiente del agua juega un papel importante en los sistemas de riego para cultivos agrícolas (Kim y Evans, 2009; Sezen et al., 2010).

Debido al elevado consumo de agua, la demanda de técnicas para poder ahorrar este recurso se requiere cada vez más. En las zonas semiáridas una de las técnicas para producir “más cosecha por gota” es el empleo de aguas de peor calidad en el riego (Balendonck et al., 2008; Ngaira, 2007). Otro de los avances más importantes para conseguir en esta línea de ahorro de agua es el empleo de sensores para la gestión del riego, utilizando diferentes tipos de sensores (López, et al., 2009). Las redes de sensores inalámbricos localizados en sitios específicos de control son una solución potencial para optimizar los rendimientos y maximizar la eficiencia del uso del agua en las explotaciones donde varía la disponibilidad de agua según las diferentes características del suelo, necesidades de agua de cultivo y características específicas de la gestión del riego (Miranda et al., 2005; Coates y Delwiche, 2006; Dursun y Ozden, 2011).

El empleo de estos sensores en el proceso de toma de decisiones es una opción viable para determinar cuándo y dónde regar, y cuánta agua emplear. El control temporal de la humedad del suelo en las diferentes etapas de crecimiento de la cosecha pueden prevenir el estrés hídrico y mejorar el rendimiento del cultivo (Doraiswamy et al., 2004; Coates et al., 2005).

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Los sistemas de riego basados en sensores se han empleado en muchas aplicaciones (Stone et al., 1985; Jacobson et al., 1989; Zazueta y Smajstrla, 1992; Meron et al., 1995; Wyland et al., 1996; Testezlaf et al., 1997; Abreu y Pereira, 2002; Kim et al., 2008, 2009). Con el desarrollo de tecnologías inalámbricas, se desarrollaron investigaciones centradas en el riego autónomo con sensores en instalaciones agrícolas (Oksanen et al., 2004; Zhang, 2004). También se emplean con éxito en la automatización de riego sensores de humedad del suelo en combinación con actuadores para la apertura y cierre de las válvulas de riego (Kim y Evans, 2009). Las ventajas de usar sensores inalámbricos reducen los costos de cableado y tubería, y facilita la instalación y el mantenimiento en grandes áreas (Panchard, 2006).

Otros ensayos realizados para establecer el uso de la tecnología inalámbrica en el riego agrícola están más relacionados con el diseño de diversos controladores (Coates et al., 2006) para implementar en sistemas de riego. Otro avance consistió en la implementación de un sistema de monitoreo inalámbrico mediante puerto de serie programables (FPGA) (Mendoza-Jasso et al., 2005). Estos sensores incluyen diversos protocolos de comunicación: infrarrojos, GSM / GPRS WPANs (área personal inalámbrica) Redes), Bluetooth, WLAN (área local inalámbrica) Redes). Se han desarrollado varias utilidades comerciales para implementar sensores inalámbricos en agricultura de precisión (Pierce y Elliot, 2008). Otros estudios han demostrado con éxito el empleo de microondas activa y pasiva (Du et al., 2006).

Se han desarrollado muchos programadores de riego con sensores inalámbricos en las últimas décadas y existen soluciones factibles. Pese a ello, muchos de los sensores, válvulas y módulos ensamblados disponibles para las redes de instalaciones de riego son demasiado complejos y costosos para su aplicación inmediata en la gestión del riego. La adopción por parte de los productores tiene limitaciones debido al costo, tiempo de instalación, mantenimiento, y complejidad de los sistemas (Thelen et al., 2005).

Algunas de las propuestas de diversos grupos de investigación relacionados con el control del agua en el riego están avanzando en el empleo de sensores de bajo coste para el monitoreo de los parámetros de control del riego. Se describen en este artículo algunos de los sensores de bajo coste que desarrollan investigadores de la Universidad Miguel Hernández de Elche en colaboración con investigadores de la Universidad Politécnica de Cartagena y la Universidad de Valencia.

Sensores de bajo coste para la medida de la humedad del suelo y la luz solar

Algunas de las propuestas de estos grupos de investigación están relacionadas con diversos modelos de sensores de bajo coste para la medida de la humedad del suelo y la luminosidad. Estos sensores se emplean en el control del riego.

Un primer prototipo se basa en la técnica de la resistividad de Wenner (Oates et al., 2015). En este prototipo se integran varios dispositivos para medir, recopilar y almacenar datos. Emplea un controlador de interfaz periférica (PIC) y elementos adicionales (Fig. 1). Emplea un microcontrolador PIC18F26K22 de 64 kB de memoria (Microchip, 2000) con un multicanal integrado, un convertidor analógico-digital de 10 bits, una columna vertical de sensores de temperatura colocados a 4 cm de separación en el suelo y cuatro varillas metálicas (acero de grado culinario) de 23 cm de longitud y 2 mm de diámetro sostenidos a 6 cm de distancia cada uno. Incluye un chip de memoria Flash CMOS expandible. Se inserta 20 cm en el suelo. Para la implementación de cada conjunto se emplearon cinco pins. El primero actúa como una fuente de corriente, el segundo como punto de medición del suelo, el tercero y cuarto miden la diferencia de potencial del suelo y el quinto como punto de derivación del suelo. Se emplea una resistencia de referencia de valor conocido y midiendo la diferencia de potencial a través de la resistencia, se determina la corriente que pasa a través del suelo. Los pines tercero y cuarto proporcionan una medición de voltaje de alta impedancia de entrada y, obtenida la diferencia de potencial conocida, se puede determinar la resistencia del suelo entre estos dos puntos (ver Fig. 2).

Como las mediciones de diferencia de potencial requieren corrientes extremadamente pequeñas, esta técnica de medición no se ve afectada por las variaciones de impedancia del suelo. El sistema se alimenta con tres pilas alcalinas de 1,5 V. Incluye un espacio de almacenamiento de casi 8.000 lecturas. Estos sensores sustituyeron a unos modelos comerciales en un experimento para el control de la humedad de viña (Vitis Vinifera L cv Bobal en patrón 110R) en maceta con riego localizado. Para la programación se empleó el software Arduino. El mayor inconveniente es que influye significativamente en las mediciones la salinidad del suelo, lo que indica que podría emplearse más como sensor de salinidad, aunque no se ha experimentado todavía. El costo total de materiales en el prototipo, incluyendo caja y baterías, es inferior a 10 €.

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Figura 1. Esquema del sensor de medida de humedad del suelo basado en el método de Wenner (sensor resistivo).

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Figura 2. Fundamento de medida del sensor de humedad del suelo mediante el método Wenner (sensor resistivo).
Un segundo prototipo mide también la humedad del suelo está basado en sensores de reflectrometría del dominio de la fercuencia (FDR) y en la figura 3 se muestra el esquema eléctrico de este dispositivo (Oates et al., 2017a). El microcontrolador utilizado es un Arduino Pro Mini PCB. Necesita incluir un sensor de temperatura DS18B20 a 3 cm de profundidad, para compensar las mediciones de la humedad del suelo. Incluye una caja clasificada IP56, sonda capacitiva de dominio de frecuencia, amplificador operacional LM358, e interfaces electrónicos. Alternativamente, los datos se pueden registrar directamente en una tarjeta SD. Cuando se requieren lecturas de múltiples profundidades, se puede insertar un interruptor doble CMOS doble CD4052 entre las entradas del amplificador / par de tierra y las sondas físicas, permitiendo utilizar hasta 4 sondas. Los materiales para desarrollar el dispositivo entero cuesta menos de 7 €.

El tercer dispositivo es un analizador de luz solar de bajo coste (Oates et al, 2017b). Se trata de un dispositivo a base de diodos LED dopados. Emplea un ángulo de haz de 20-30 grados. Toma medidas de diferencia de potencial cada cierto período de tiempo. El microcontrolador que emplea es un Arduino Pro PCB Mini (Atmega328P CPU), funcionando a 3,3 V y 16 MHz, con alimentación de 3 baterías alcalinas y un regulador de corriente bajo en reposo. Emplea un transceptor de radio NRF24L01 de 2,4 GHz y registra los datos en un dispositivo Winbond W25Q32 32 Mbit SPI FLASH EPROM. El costo del componente del dispositivo es inferior a 10 euros, incluidas la carcasa y las baterías IP56 (Figura 4).

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Figura 3. Esquema eléctrico del sensor FDR de humedad del suelo (capacitivo).
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Figura 4. Aspecto externo del sensor de luminosidad mediante diodos LED dopados.

Conclusiones

Se presentan en este artículo tres sensores de bajo coste para el control de los parámetros de riego en instalaciones agrícolas:

  • El primero emplea el método resistivo de Wenner para la medición de la humedad del suelo. Este prototipo tiene un bajo costo debido al precio competitivo de sus componentes. El costo total de componentes de cada unidad es inferior a 10 €, incluidas las sondas, la carcasa y las baterías, lo que las convierte en ideales para el despliegue a gran escala, tanto para el uso agronómico como para la investigación.
  • El segundo dispositivo (FDR) permite obtener medidas más robustas de humedad del suelo. Es necesario incluir sensores adicionales para registrar tanto la temperatura del suelo como la temperatura de la electrónica de control para compensar las medidas obtenidas dependiendo de las condiciones de suelo. Estos prototipos se utilizan para determinar las demandas de agua de un cultivo y la correspondiente programación de riego y necesitan ser calibrados. Ambos sensores han mostrado resultados consistentes en una gran variedad de tipos de suelo y condiciones climáticas. Estos dispositivos de bajo coste pueden tener una importante aplicación en áreas donde el agua es un recurso escaso. El bajo costo de los sensores permite emplearlos en el despliegue agronómico a gran escala en el que sea necesaria la gestión de muchos cultivos.
  • El tercer dispositivo descrito para el análisis de la luz solar se puede emplear también para el control en tiempo real del manejo de cultivos. Puede emplearse para la medida de una longitud de onda específica, iluminación artificial, calefacción y sombra, manejo de plagas o polinizadores, entre otras aplicaciones. Adicionalmente, el análisis de los datos obtenidos podría emplearse en un sistema de gestión más sofisticado para la toma de decisiones. El analizador de luz solar puede clasificar una amplia gama de condiciones y puede ser empleado como alternativa a un piranómetro convencional (de costes más elevados).

Agradecimientos

Los autores agradecen la colaboración de la empresa Telenatura EBT, S.L. en el asesoramiento técnico de los productos desarrollados.

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