Conclusiones del I Symposium Nacional de Ingeniería Hortícola

Del 20 al 22 de febrero tuvo lugar en Orihuela (Alicante) el I Symposium Nacional de Ingeniería Hortícola. Casi un centenar de asistentes pudieron conocer de primera mano las últimas novedades de la agromótica aplicada al mundo hortícola, en un encuentro dirigido a todos los agentes implicados en los avances tecnológicos del sector agroalimentario. Presentamos aquí las conclusiones de dicho Simposio, divididas en cada una de sus áreas de trabajo.

2. La aplicación de automatización y el telecontrol a una red de drenaje experimental es otro de los casos de estudio citados. Mediante lecturas de caudalímetros y pluviómetros de pulsos y su transmisión a un controlador compacto y su registro en Internet, es posible la gestión de los datos en tiempo real.

3. Este mismo control en tiempo real es aplicable a la gestión de datos de estaciones agrometeorológicas. Mediante un sistema de automatización y telecontrol con filtrado de datos en tiempo real, se obtienen datos que cumplen con una serie de normativas establecidas y no hay que hacer un filtrado posterior en oficina. Esto es aplicable a la práctica totalidad de estaciones agrometeorológicas que existen en funcionamiento y actualmente no emplean esta metodología.

De izq. a dcha: Antonio Ruiz, investigador de la Universidad Miguel Hernández; José Miguel Molina, presidente del Grupo de Ingeniería Hortícola de la SECH; Manuel Gallud, concejal de Medio Ambiente del Ayuntamiento de Orihuela; Juan José Ruiz, director de la Escuela Politécnica Superior de Orihuela (UMH); Jesús Pomar, catedrático de la Universitat de Lleida; y Ricardo Abadía, director del Departamento de Ingeniería de la UMH.

4. El uso de aplicaciones de teléfonos inteligentes o smartphones es otra de las líneas de trabajo para la gestión del agua en horticultura. Se mostró un caso de estudio de una aplicación desarrollada en lenguaje iOS para el cálculo de diámetros de laterales de riego localizado a partir de diferentes datos de partida (caudal y separación de emisores, tipo de emisor, entre otros). La ventaja de este tipo de herramientas es que se realizan muchos cálculos simultáneos y complejos sin necesidad de emplear un PC. El empleo de aplicaciones para teléfonos inteligentes se muestra como una alternativa creciente para todo tipo de aplicaciones agromóticas.

5. Otro aspecto que se ha expuesto referido a la gestión de recursos hídricos en horticultura es el empleo de modelos de gestión para establecimiento de cultivos, riego eficiente, ahorro de energía, entre otros, teniendo en cuenta criterios ambientales y económicos. Este tipo de modelos emplean diferentes metodologías, entre ellas los algoritmos genéticos. El uso de estas herramientas permite ahorros potenciales además de poder implementar su uso en sistemas de automatización y telecontrol como herramientas de decisión. Los modelos de gestión son una base fundamental para el desarrollo de nuevos dispositivos puesto que establecen las pautas de funcionamiento de los modelos agromóticos.

6. Existen aplicaciones de hardware y software de automatización y telecontrol en horticultura que, además de explotaciones experimentales, se emplean cada vez más en explotaciones comerciales. Uno de los casos de estudio expuestos en el Symposium se aplica al cultivo de la fresa. Las circunstancias productivas y de mercado de este cultivo requieren un riego de precisión mediante pulsos y evitar percolación. Mediante unas pautas de manejo, un sistema de riego con emisores autocompensantes antisucción y antidrenantes, válvulas reguladoras de presión y sondas de humedad del suelo es posible controlar el riego dentro de unos parámetros adecuados. Se complementa el sistema con un programador de riego, estación climática y control de la fertilización. Un elemento adicional es una aplicación de automatización y telecontrol con diferentes tipos de soporte (PC, móvil, tableta) para el control por parte del usuario. Este ejemplo muestra cómo la agromótica es una herramienta de uso común en la horticultura.

7. Otro de los elementos de los sistemas de automatización y telecontrol son las arquitecturas inalámbricas para la gestión del riego de un cultivo. Mediante nodos inalámbricos interconectados con GPRS y un software de control de diferentes variables (suelo, agua y planta) se gestiona en tiempo real el riego de un cultivo. Los datos obtenidos se gestionan y almacenan en un servidor. Una ventaja adicional es que los nodos se alimentan mediante energía solar. Los dispositivos inalámbricos de comunicación se emplean con bastante éxito en campo aunque se ha de avanzar en la búsqueda de sistemas más robustos y que gestionen los datos en la 'nube'. Los sistemas de nodos inalámbricos se presentan como una buena manera de gestionar en tiempo real el riego. Se incluye en un caso de estudio una red de nodos inalámbricos con el hardware y software configurables.

9. La utilización de modelos para el control de los procesos de gestión agrícola forman parte también del desarrollo de nuevos dispositivos en agromótica. El empleo de modelos contrastados de crecimiento de la raíz respecto a la cobertura vegetal en Horticultura permite implementarlos en los algoritmos de gestión del riego para su automatización. Mediante este tipo de modelos se determina la profundidad de raíz con una precisión adecuada. Se abre una línea de trabajo para obtener modelos similares en diferentes especies hortícolas.

10. El empleo de sistemas de automatización y telecontrol también se ha extendido ampliamente en explotaciones comerciales de viticultura. Mediante un sistema de sensores de humedad (watermark y TDR), una red inalámbrica de sensores comunicados entre sí y con transmisión de datos en tiempo real, es posible determinar el ajuste de los coeficientes de cultivo de diferentes variedades vinícolas. Ello permite manejar el riego de una manera precisa y aplicando estrés controlado a las variedades vinícolas para obtener las calidades adecuadas de cosecha.

11. Los sensores virtuales basados en técnicas de identificación de sistemas dinámicos se presentan como una alternativa a los sensores tradicionales más sofisticados. A partir de los datos obtenidos se pueden calibrar y validar sensores virtuales que se integren en controladores de riego basados en técnicas avanzadas de control. La investigación en el campo de los sensores virtuales tiene bastantes posibilidades de desarrollo debido a la disminución de costes y rapidez de respuesta frente a los sensores tradicionales más sofisticados.

12. El empleo de herramientas de modelado hidráulico de una red de riego también se puede implementar en los sistemas de automatización y telecontrol del riego. Mediante modelos hidráulicos de redes presurizadas tipo Epanet se puede optimizar la apertura y cierre de válvulas de una instalación de riego en un campo de golf. El empleo de este tipo de herramientas en la automatización y el telecontrol consigue ahorros potenciales en el consumo de agua y energía. Sigue una tendencia análoga a lo expresado en apartados anteriores.

13. Los sensores empleados para el control de salinidad CE permiten automatizar el riego en especies ornamentales. El estudio de nuevos sensores es otra de las líneas de trabajos futuros dentro de la automatización y el telecontrol en agricultura.

14. El empleo de herramientas para software PC también es uno de los aspectos relacionados con la automatización y el telecontrol para la gestión de recursos en las instalaciones agrícolas. Uno de los paquetes informáticos presentados en este Symposium está relacionado con la determinación óptima de la combinación más adecuada de abonos según el óptimo económico para fertirrigación a partir de una serie de productos disponibles. El objetivo final es disminuir los costes de adquisición del producto.

15. Se ha incluido un caso de estudio de proyectos cooperativos sobre riego. Se parte de los resultados de varios proyectos europeos para generar productos finales para la comercialización. En el caso concreto presentado, el producto final es un instrumento dinámico y atractivo para mejorar la programación del riego basado en experiencias anteriores de varios investigadores y localizaciones.

2. El control de los parámetros energéticos en las instalaciones de riego de campos de golf se presenta como otra de las aplicaciones de estas tecnologías. Las bombas de las instalaciones de riego de un campo de golf necesitan elevar una gran cantidad de agua a una elevada presión en unos cortos espacios de tiempo. Mediante modelos de simulación y sistemas de actuación es posible hacer trabajar a la estación de bombeo lo más próximo a su punto óptimo de funcionamiento. Ello se traduce en ahorros económicos. Se mostró un caso de estudio en un campo de golf mediante un modelo de simulación de la demanda energética mediante el software Matlab.

3. Los sistemas de control avanzado en los secaderos de tabaco industriales se emplean dentro del control de parámetros ambientales en horticultura. Se mostró un sistema de control con mejoras relevantes respecto a las soluciones existentes (gestión del curado y aprovechamiento y explotación de los datos monitorizados principalmente). Se empleó una estructura de arquitectura distribuida, compuesta por un controlador y un servidor, además de diferentes dispositivos cliente para la interacción de los usuarios, como ordenadores portátiles, tablets o teléfonos inteligentes. Se ha desarrollado y probado en un bastidor de simulación y se ha validado posteriormente en un secadero real, donde se ha comprobado la eficiencia de las mejoras presentadas (versatilidad en la configuración de las curvas de curado mediante un interfaz visual e intuitivo, almacenamiento de variables monitorizadas en bases de datos para su posterior consulta, posibilidad de toma decisiones para el manejo del curado, entre otras).

4. Siguiendo con las aplicaciones 'apps' para teléfonos inteligentes o smartphones y tablets se presentó una aplicación mejorada de un software para móviles (RaGPS) en versión Android. Mediante este dispositivo se puede calcular, almacenar y transferir los parámetros asociados con la posición y distancia relativa tierra-sol: radiación solar extraterrestre, radiación incidente en la tierra con cielo despejado, horas de sol, evaporación equivalente, entre otros. Se ha conseguido un diseño adaptativo de los elementos en pantalla para su uso en tablets, la apariencia de la aplicación es completamente renovada, utilizando las actuales tendencias en aplicaciones móviles.

5. Las arquitecturas software también se emplean con éxito para el control de parámetros climáticos en Horticultura. Se muestra su empleo en la toma y filtrado de datos en tiempo real para estaciones agroclimáticas y aumentar la velocidad de dichos procesos. Mediante la diferenciación de colas para adquisición de datos por un lado y para procesar toda la información y realizar los cálculos por otro, es posible realizar los cálculos adecuadamente y no perder datos. La mejora de los procedimientos de cálculo y toma de datos permite diseñar dispositivos más robustos.

6. Dentro de la gran gama de indicadores del uso del agua y la energía en las instalaciones de riego y debido a la irrupción de elementos de automatización y telecontrol en estas instalaciones se proponen nuevos indicadores para reflejar el grado de automatización de las citadas instalaciones. Estos indicadores mejoran la gestión de las instalaciones de riego y permiten establecer una comparativa para mostrar fortalezas y debilidades entre distintas instalaciones. Se propusieron una serie de indicadores en un caso de estudio para diferentes parcelas de riego en hortícolas y otros a escala de instalaciones de riego comunitarias en comunidades de regantes. Esta metodología se muestra adecuada pero debe ser contrastada con más casos de estudio.

7. La automatización y telecontrol de las instalaciones de energías renovables en las instalaciones hortícolas es otro de los aspectos tratados en el Symposium. En este caso se hizo un estudio específico de aerogeneradores aplicados al sector agrícola. Se mostró un caso de estudio de una aplicación informática para combinar datos de estaciones meteorológicas y datos de un aerogenerador para determinar potencial eólico y energía generada, entre otros. Se trata de una herramienta que permite la optimización de la gestión de este tipo de instalaciones.

8. El empleo de sistemas 'Scada' para el control energético en industrias agroalimentarias también se incluyó también en este evento. Se presentó un software 'Scada' avanzado para el control optimizado de la energía en instalaciones de aire acondicionado y climatización, instalaciones de aire comprimido e iluminación. Los aspectos que tiene en cuenta relacionados con la energía son los datos referentes a la construcción y cerramiento del edificio, estimación de necesidades de ventilación en función del personal, generación de gráficos en función de las condiciones de temperaturas interior y exterior y radiación solar exterior, cálculo de la potencia generada a partir de las curvas de potencia del compresor o caldera dependiendo de la instalación, entre otros. Su implantación permitiría un ahorro potencial del 30% del consumo energético. El objetivo final del sistema es que un operario, desde un punto centralizado de control, tenga constancia de las posibles deficiencias de la instalación y su localización para actuar en consecuencia.

9. Un uso análogo del control de la iluminación y el riego se puede aplicar en jardines verticales. La jardinería vertical constituye una nueva corriente dentro de la jardinería, que se presenta como una alternativa a los sistemas de ajardinamiento y construcción tradicionales, y que básicamente consiste en el diseño y construcción de superficies ajardinadas en un plano vertical. Se ha puesto a punto un sistema de registro de variables ambientales (temperatura, humedad y radiación) para la automatización y telecontrol del sistema de bombeo e iluminación capaz de dar servicio a un jardín vertical. El equipo descrito es un registrador (datalogger) de temperatura, humedad y radiación construido a partir de una Raspberry Pi, un Arduino Uno y un ordenador que mediante la adecuada programación son capaces de tomar decisiones para controlar la iluminación, la frecuencia y dosis de riego a aplicar en un jardín vertical. La Raspberry Pi realiza funciones de servidor web y el P.C. incorpora un programa 'Scada' de monitorización de variables, telecontrol y automatización de la gestión del jardín vertical. Finalmente se muestran algunos resultados de los ensayos efectuados.

11. Otro de los sensores y controladores presentados para el control de los procesos son las FPGA (Field Programmable Gate Array). Se trata de dispositivos semiconductores programables basados en matrices de bloque lógicos configurables. Se presentó una implementación en una FPGA y mediante descripción VHDL, de un sistema con un sensor SHT75 (sensor integrado de humedad y temperatura calibrado) y un software de programación específico y se ha desarrollado un prototipo de software de control para PC de lectura y registro de la temperatura y humedad.

12. Por último se presentaron dos comunicaciones sobre el dimensionado de instalaciones de calefacción y el problema de la condensación en invernaderos. Estos aspectos van ligados con los procesos de automatización y telecontrol ya que resulta crucial que las instalaciones estén dimensionados correctamente para su correcto funcionamiento. Se presentó un caso de estudio en calefacción de un invernadero de pimiento y una serie de medidas empleadas para evitar el fenómeno de la condensación.

2. Los envases inteligentes son otras de las aplicaciones en la automatización en maquinaria y robótica. Se caracterizan por poder llevar a cabo funciones inteligentes tales como trazar el producto, sentir el entorno dentro y fuera del envase y comunicarse con los distintos agentes de la cadena alimentaria (sistemas de control de almacenes, gestión de transporte, lineales, expositores de minoristas, etc). Se presentó un desarrollo de tecnología RFID (identificación por radiofrecuencia, según sus siglas en inglés), mediante la cual se consigue la trazabilidad absoluta de los alimentos. La principal desventaja de esta tecnología es el coste de la etiqueta RFID o 'tag' (con antena y microchip). Se presentaron los resultados derivados de la implementación de un sistema de etiquetado para envases inteligentes, basado en impresión directa sobre cartón, utilizando tintas conductivas sobre el mismo cartón.

3. Se presentó en esta sección un proyecto de planta piloto en un centro de investigación sobre esta tecnología. El proyecto de Planta Piloto de Robótica, Automática y Visión Artificial del CT Tecnova surge como respuesta a una continua y creciente necesidad de modernización y de mejora de la competitividad en las empresas del sector agroindustrial y hortofrutícola. La consecución del proyecto es el resultado de la búsqueda de unas instalaciones flexibles y con capacidad para dar respuesta a la necesidad de complejos desarrollos tecnológicos.

4. Relacionado con la línea de aplicación a la maquinaria agrícola se presentó un controlador para variadores de frecuencia con control por modulación de anchura de pulsos para aplicaciones agrícolas. Este método de control, si bien no posee la precisión que se obtendría haciendo uso de un convertidor digital analógico (DAC), es suficientemente preciso para este tipo de aplicación en la agroindustria. El equipo desarrollado, se ha utilizado para el control de velocidad de dos de las cintas de una línea de recepción de aceitunas de una cooperativa olivarera, formando parte de un conjunto de mayores proporciones para la gestión de la totalidad de esta planta de recepción. El proceso de automatización y telecontrol final, se hace por una aplicación informática SCADA implantada en un ordenador el cual permite de acuerdo a un sistema de prelaciones, actuar sobre cada elemento de la línea de recepción gestionando también los posibles fallos debido a sobrecargas eléctricas, generando la correspondiente alarma y la desactivación de todos los elementos implicados.

1. Una de las aplicaciones que se presentaron en esta sección fue la aplicación de fotografía digital en proyección vertical para el control y programación del riego. Mediante tratamiento informático se pueden obtener parámetros relacionados con el desarrollo del cultivo, vinculados al cálculo de sus requerimientos hídricos. La fracción de cobertura vegetal, obtenida aplicando técnicas de clasificación supervisada a fotografías digitales de la cubierta vegetal, es un parámetro de gran utilidad en la determinación de las necesidades hídricas de los cultivos según la metodología propuesta por la FAO-56, pues ha sido relacionado directamente con el coeficiente de cultivo. Se presentó un caso de estudio para la programación del riego, basándose en el balance hídrico del suelo, de un cultivo comercial de lechuga variedad 'Little Gem'. Los resultados obtenidos se compararon con la gestión real del agua de riego llevada a cabo en la parcela de ensayo, monitorizada por medio de sondas de humedad del suelo, con el fin de emitir un análisis de las deficiencias encontradas en dicha gestión y una cuantificación del exceso de agua de riego aportada al cultivo.

2. Otra empleo de la visión artificial es el análisis de color en especies vegetales para la gestión de cultivos y procesos agroalimentarios. Es bien conocido que las imágenes pueden aportar información muy valiosa sobre el estado de crecimiento de las plantas, las enfermedades carenciales, la maduración de los frutales, la aparición de plagas y malas hierbas, etc. Las técnicas basadas en análisis de color son fundamentales en este dominio, al permitir clasificar y caracterizar de forma precisa, robusta y eficiente las distintas regiones de las imágenes. Partiendo de un conjunto muy amplio y variado de imágenes de plantaciones de lechuga (Lactuca sativa) –clasificadas previamente de forma manual en zonas de suelo y zonas de cultivo–, se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo y sistemático de la forma óptima de modelar el color en problemas de clasificación de plantas. Los resultados demuestran la superioridad de los modelos que separan luminancia y crominancia. En especial, el espacio YCrCb ofrece los mejores resultados cuando se descarta el canal Y, con un porcentaje de acierto en la clasificación del 98,7%; además, estos resultados son significativamente mejores que los del resto de las alternativas.

3. El uso de la visión artificial a la determinación de la medida del crecimiento de especies vegetales se mostró en otra de las comunicaciones del Symposium. Se mostró el desarrollo de un sistema para la supervisión del crecimiento de algas filamentosas usando análisis de imagen. Para conseguir la optimización en el cultivo de las algas se debe conocer cuándo han llegado a su punto de madurez, a fin de poder recolectarlas y así iniciar otro nuevo ciclo para establecer un mayor número de ciclos en un periodo de tiempo dado y con ello conseguir una productividad mayor. Se hizo crecer el alga Spirogyra en una malla plástica y monitorizar su evolución por medio de imágenes periódicas, ajustando el protocolo de obtención de estas imágenes a fin de homogenizar la calidad de las imágenes antes de ser analizadas. Las imágenes fueron tomadas con distintas iluminaciones, rojo, verde y azul, analizado posteriormente la misma componente de color que el tono de iluminación. El sistema se presenta como una alternativa económica a la supervisión en tiempo real del proceso de cultivo de algas filamentosas en condiciones intensivas.

5. Las técnicas de visión artificial también se emplean en la detección del pardeamiento enzimático y el control de microorganismos. Se estudió la posibilidad de evaluar el pardeamiento enzimático en manzanas (Malus domestica) mediante el análisis de imágenes. El análisis a lo largo del tiempo de las coordenadas Cielab de las piezas de manzana obtenidas mediante el colorímetro y mediante análisis de imagen permitió determinar en ambos casos una evolución similar del incremento de color a lo largo del tiempo. Este resultado muestra la posibilidad de utilizar el análisis de imagen para la evaluación del pardeamiento enzimático en manzanas.

6. Las alternativas al escaneado láser son otras de las aplicaciones de la visión artificial en el sector frutícola. Mediante estas técnicas se puede conseguir una reconstrucción tridimensional con cierta calidad y con un coste económico inferior. Se presentaron dos alternativas para la reconstrucción tridimensional de la superficie de distintas piezas de fruta. Basándose en los fundamentos de la visión estereoscópica se traza un flujo de trabajo que permite, a partir de imágenes fotográficas tomadas desde distintas posiciones, obtener la representación tridimensional de la fruta. Para ello se analizan y comparan los métodos de reconstrucción mediante las aplicaciones Patch Multi-View Stereo (PMVS) y Microsoft Photosynth, que permiten tomar en consideración la información geométrica y fotométrica de la fruta en estudio, lo que permite realizar una representación de los parámetros característicos del cuerpo, muy cercana a la percepción visual de ese objeto en lo que denominamos realidad. Esta reconstrucción tridimensional se podrá usar en un proceso posterior para analizar distintas características de la pieza de fruta estudiada, variaciones en sus propiedades físicas o detectar imperfecciones.

7. Un último desarrollo presentado se basó en los sistemas de adquisición y procesamiento de imágenes que ayuda a la navegación autónoma de robots móviles en invernaderos. Las técnicas basadas en métodos reactivos no funcionan correctamente cuando existen condiciones de poca vegetación o cuando se realizan prácticas como la poda o la recolección, que disminuyen la masa vegetal. Es en estas situaciones cuando las técnicas de visión artificial resultan adecuadas. Se evaluaron distintas estrategias para determinar el centro del pasillo y generar la ruta que debe seguir el robot. Estos algoritmos permiten implementar un sistema no supervisado de navegación basado en visión. El sistema propuesto se validó en distintos tipos de suelos, en presencia de irregularidades y para distintos valores de luminosidad.

Agradecimientos

La organización del I Symposium Nacional de Ingeniería Hortícola ha corrido a cargo de la Escuela Politécnica Superior de Orihuela (EPSO) de la Universidad Miguel Hernández de Elche (UMH) y de la Sociedad Española de Ciencias Hortícolas (SECH). Como entidades colaboradoras han participado: Sociedad Española de Agroingeniería; Agrosolmen; National Instruments; Telenatura EBT, S.L.; Regaber; Agromediterránea; Iberdrola; Diputación de Alicante; Ayuntamiento de Orihuela; Comunidad de Regantes del Campo de Cartagena; Atram Energética; Skeye; y ABB.