Tecnología LoRaWAN para la monitorización de cerdos Ibéricos en extensivo

Gestionar una explotación de ganadería extensiva implica enfrentarse cada día a desafíos como el control de los animales, la detección temprana de problemas sanitarios o la optimización del tiempo y los recursos disponibles. En este contexto, las tecnologías de digitalización se presentan como una herramienta para mejorar la eficiencia productiva, reforzar la sostenibilidad y aumentar la rentabilidad de las explotaciones.

Mediante el uso de estas tecnologías, la Ganadería de Precisión pone a disposición herramientas que permiten automatizar determinadas tareas y obtener información individualizada, continua y precisa sobre los animales y la explotación. Gracias a ello, los ganaderos pueden disponer de más información para apoyar la toma de decisiones y avanzar hacia sistemas de producción más eficientes y sostenibles, teniendo en cuenta tanto el bienestar animal como las condiciones de trabajo del propio ganadero [1].

En las explotaciones extensivas, la posibilidad de supervisar el ganado y distintos elementos de la explotación de forma remota supone un importante avance en la gestión diaria. Estas tecnologías, haciendo uso de sensores permiten recopilar datos de forma automática y en tiempo real, permitiendo una detección temprana de problemas específicos como pérdida de la producción y amenazas del bienestar [2]. Además, ayudan a identificar posibles deficiencias en las instalaciones y a optimizar los desplazamientos necesarios para el manejo de la explotación, ya que determinadas tareas pueden automatizarse o realizarse a distancia [3]. Del mismo modo, la aplicación de sistemas de localización telemática al cerdo ibérico en montanera permitirá reforzar la trazabilidad de este modelo productivo, de gran valor económico.

Sin embargo, la implantación de estas tecnologías también plantea importantes retos. En sistemas tradicionales como la dehesa, caracterizados por grandes extensiones de terreno y una distribución dispersa del arbolado, resulta especialmente complejo obtener datos continuos y precisos. A ello se suman otros factores, como la inversión inicial necesaria, las limitaciones de conectividad existentes en muchas zonas rurales y la necesidad de formación específica para el personal encargado de gestionar e interpretar la información generada.

En este contexto, el proyecto AGROALNEXT-1.4, recientemente concluido, ha impulsado el desarrollo de estrategias innovadoras orientadas a la digitalización y a una gestión más sostenible de la dehesa. Su objetivo general es desarrollar tecnologías de Ganadería de Precisión que permitan monitorizar de forma eficiente y sostenible las explotaciones extensivas mediante la automatización en la toma, el almacenamiento y el procesamiento de datos. Este proyecto contempla la integración de Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) para el seguimiento de las producciones, el comportamiento animal y la trazabilidad de la cadena alimentaria. Con ello se pretende mejorar la toma de decisiones relacionadas con la gestión de los recursos naturales presentes en los sistemas extensivos, contribuyendo a aumentar su resiliencia y su sostenibilidad, tanto económica como ambiental.

Las actuaciones desarrolladas en el proyecto se llevaron a cabo en la finca Valdesequera, perteneciente al Centro de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de Extremadura (CICYTEX). Este enclave constituye un ecosistema representativo de dehesa, siendo el ganado porcino la especie predominante.

Uno de los principales desafíos para avanzar en la digitalización de una explotación extensiva es garantizar la transmisión de los datos generados por diferentes dispositivos distribuidos por el terreno. En el caso de esta finca, las grandes dimensiones de la explotación, junto con la ausencia de suministro eléctrico en algunas zonas, dificultaban el uso de tecnologías de comunicación convencionales, como las redes WIFI.

Para superar estas limitaciones, se optó por la tecnología de comunicación inalámbrica LoRaWAN [4], especialmente diseñada para transmitir pequeñas cantidades de información a largas distancias con un consumo energético muy reducido. Este sistema permite conectar simultáneamente numerosos dispositivos, ofrecer una elevada resistencia a las interferencias y operar en bandas de frecuencia libres (868 MHz). Además, puede alcanzar distancias de transmisión de entre 10 y 20 kilómetros, dependiendo de las características del terreno, y proporcionar autonomías de funcionamiento de varios años.

Su funcionamiento se basa en la comunicación periódica entre distintos sensores o dispositivos emisores (nodos) y una antena (gateway o puerta de enlace), mediante radiofrecuencia. Los datos recogidos son enviados a un servidor LoRaWAN, donde quedan almacenados para su posterior procesamiento y análisis.

La geolocalización se realiza mediante cálculos de triangulación del ‘tiempo de vuelo’ basados en las diferencias en el tiempo de llegada de la señal emitida por el nodo a, al menos, tres gateways. Estos gateways disponen de relojes internos muy precisos sincronizados continuamente mediante señal GPS y envían dichas diferencias de tiempo a un servidor a través de Internet, donde se efectúan los cálculos necesarios para determinar la posición del animal.

Figura 1. Tipos de ubicaciones de las antenas (gateways) en la finca experimental.

Para la monitorización de los cerdos ibéricos se desarrollaron dispositivos emisores (nodos) de pequeño tamaño y bajo consumo energético, compatibles con la red LoRaWAN (Figura 2). Estos dispositivos se incorporaron a los crotales mediante materiales resistentes que garantizaban su correcta fijación y durabilidad. El uso de tecnología LoRaWAN y la integración de sus nodos en los crotales se consideró imprescindible para el ganado porcino (en concreto el Ibérico), con el que se ha desarrollado inicialmente este proyecto, ya que los dispositivos GPS necesitan baterías grandes y pesadas, que se suelen integrar en collares en otras especies ganaderas. En ganado porcino no se pueden utilizar collares, ya que son expulsados al engordar. En cambio, los nodos LoRaWAN necesitan muy poca batería, ya que emiten mensajes muy cortos a intervalos largos y graduables. Normalmente, en este proyecto el intervalo fue de 20 minutos (aunque podría ser hasta de sólo 90 segundos, no pudiendo ser más corto para no saturar las redes LoRaAWAN locales). Así pues, se pudo usar una batería muy pequeña, como la de un reloj de pulsera, pero el nodo en sí necesitó una meticulosa tarea de miniaturización para poder integrarlo en un crotal, lo que constituyó una de las más importantes innovaciones del proyecto, pues hasta ahora sólo se habían instalado nodos LoRaWAN en crotales grandes de vacuno en algunos estudios fuera de España. En fases posteriores está previsto encapsular el nodo y su batería en plástico, siguiendo un diseño exterior similar al de los crotales electrónicos RFID convencionales de porcino. Dichos nodos fueron programados para optimizar la comunicación con los gateways y prolongar al máximo su autonomía mediante ciclos controlados de emisión y reposo.

La digitalización de la explotación también incluyó el desarrollo e instalación de una báscula de auto-pesaje (Figura 3) para registrar automáticamente el peso de los animales en el campo. Hasta ahora sólo se habían desarrollado estos sistemas para vacuno y ovino en extensivo. Pero el cerdo en extensivo (el Ibérico) necesitaba una solución similar adaptada. Un sistema de auto-pesaje es especialmente útil durante la montanera, ya que durante ella se necesita saber cómo avanza el peso para predecir cuándo llevar los animales al matadero, y para ello no conviene desplazarlos a una nave de pesaje, pues dejarían de comer bellota (lo que contravendría lo estipulado en la Norma de Calidad del Ibérico), y la intendencia del pesaje en plena dehesa con las mangas de manejo y básculas habituales es complicado. El sistema se ubicó en una zona de paso habitual hacia un área de alimentación, favoreciéndose así que los cerdos accedieran voluntariamente a ella durante sus desplazamientos diarios. La báscula, alimentada mediante energía solar, incorporaba sensores de pesaje, un módulo de procesamiento de datos y conectividad LoRaWAN para transmitir la información en tiempo real. Asimismo, contaba con un lector RFID capaz de identificar individualmente a cada animal y asociar automáticamente cada medición de peso a su clave de identificación. Para evitar registros duplicados y mejorar la calidad de las mediciones, se instaló un sistema de cancillas en zigzag que reducía la velocidad de paso de los animales antes de entrar a la báscula. La instalación se completó con dos cámaras destinadas al control visual del proceso. Toda la información generada por el sistema podía gestionarse de forma remota a través de una plataforma digital.

Además, como complemento a los anteriormente descritos sistemas de monitorización, se desarrollaron unos podómetros para registrar los movimientos de los cerdos durante la montanera, con objeto de, además de su localización mediante los crotales LoRaWAN, determinar su grado de actividad con fines de investigación o prácticos, pues usándolo en unos pocos o en todos los animales del grupo de montanera se puede estimar su gasto energético (según su movimiento y condiciones atmosféricas) para determinar mejor sus necesidades nutritivas, además de monitorizar su comportamiento. Estos podómetros, colocados en una extremidad, registran los pasos mediante un acelerómetro y transmiten sus datos en tiempo real a un Servidor. Su desarrollo requirió un importante proceso de miniaturización, ya que hasta entonces solo existían podómetros para vacuno.

Las pruebas realizadas en condiciones reales de explotación extensiva permitieron identificar algunos de los principales desafíos asociados a la monitorización remota del ganado en entornos de dehesa. Uno de los aspectos más relevantes fue el grado de recepción de los datos de localización. En determinadas zonas de la finca, la distancia entre los animales y uno de los cuatro gateways —situado inicialmente lejos de las áreas de tránsito habitual— provocó una disminución de la intensidad de la señal recibida en él, reduciéndose el número de antenas capaces de captar cada transmisión.

Durante las primeras fases del ensayo, los valores de intensidad de señal (RSSI) fueron inferiores a los esperados incluso en dispositivos próximos a las antenas, lo que ocasionó pérdidas de paquetes de datos. Esta situación se mantuvo relativamente constante hasta que se realizaron los ajustes pertinentes. Las mejores condiciones de recepción se observaron en aquellas áreas donde los dispositivos se encontraban dentro del alcance de al menos tres gateways. Sin embargo, en ningún momento un mismo mensaje fue recibido simultáneamente por las cuatro antenas instaladas, siendo más habitual que las transmisiones fueran captadas por dos o tres de ellas. Como consecuencia, la estimación de la posición mediante triangulación se realizó con un número menor de referencias, reduciendo la precisión de la localización obtenida.

Con el objetivo de mejorar el rendimiento del sistema, se introdujeron diferentes ajustes en la red de comunicaciones. Uno de ellos fue la reubicación de uno de los gateways portátiles (el más alejado), y otro el aumento de la potencia de transmisión de los nodos emisores para reforzar la cobertura, especialmente la de las zonas más alejadas. La disposición final de las antenas se muestra en la Figura 4. Aunque estas modificaciones permitieron alcanzar niveles de recepción aceptables, continuó observándose cierta variabilidad tanto en la intensidad de la señal como en el número de antenas que participaban en cada registro, poniendo de manifiesto la complejidad que supone la monitorización de dispositivos en un ecosistema arbolado como la dehesa.

En cuanto al sistema de pesaje automático, éste permitió registrar los pesos individuales de los animales de forma satisfactoria. No obstante, durante las primeras fases de funcionamiento se detectaron dificultades en la identificación de algunos ejemplares asociadas a los dispositivos RFID subcutáneos. Para corregir esta situación, se realizaron ajustes en la potencia del sistema lector de RFID, garantizando así la identificación adecuada de los animales independientemente de la ubicación del dispositivo, ya estuviera implantado de forma subcutánea o integrado en un crotal. Actualmente, el sistema continúa en proceso de optimización. Entre las mejoras en desarrollo se encuentra la ampliación del recorrido del sistema de cancillas, con el objetivo de favorecer un paso más ordenado e individualizado, así como otras actuaciones destinadas a incrementar la fiabilidad y eficiencia del sistema.

En cuanto a los podómetros, los prototipos han funcionado correctamente con un tamaño adecuado en diversas pruebas. La siguiente fase consiste en embutir todo el sistema en una cápsula ligera, impermeable (los cerdos se bañan), resistente y a prueba de mordiscos al igual que su correa de sujeción, lo que implica un reto que no existe en los anteriores modelos desarrollados para vacuno. Una vez desarrollado el modelo comercial se podrá usar en porcino y pequeños rumiantes.

Bibliografía

1. Callejo Ramos, A. (2014). Ganadería de precisión. Mundo Ganadero, 261, 28–33.
2. Ojo, M. O., Viola, I., Baratta, M., & Giordano, S. (2021). Practical experiences of a smart livestock location monitoring system leveraging gnss, lorawan and cloud services. Sensors, 22(1), 273.
3. Couto Carril, M. (2021). Monitorización y control de explotación de ganadería extensiva [Trabajo de fin de grado, Universidad de A Coruña].
4. LoRa Alliance. (s. f.). About LoRaWAN®. https://lora-alliance.org/about-lorawan/ Agradecimientos: proyecto AGROALNEXT 1.4; CICYTEX, Junta de Extremadura.