Red de sensores inalámbricos para el monitoreo de variables agroecológicas en cultivos bajo invernadero
Duvan David Barbosa Pira,
Juan Sebastián Sanabria Rodríguez,
Hassler Camilo Bueno Mesa,
Daniel Vega, Edgar Aguirre.
Resumen
—En la actualidad el desarrollo de la agrónica para la automatización de procesos del sector agrícola y pecuario, está marcando una fuerte tendencia en la toma de decisiones con datos de variables agroecológicas, enfrentándose a problemas tecnológicos como la toma de datos de cultivos a diferentes escalas y bajo costo económico de implementación, por lo que esta investigación se enfocó en diseñar e implementar una red de monitoreo de variables agroecológicas en ambientes controlados, con la finalidad de encontrar y probar tecnologías que permitan mejorar la competitividad del sector primario de la economía del país. Lo anterior, con el monitoreo de variables a través de dispositivos electrónicos de medición y trasmisión de datos en tiempos reales a dispositivos móviles y ordenadores.
Palabras Claves: Agroníca, automatización, redes de sensores, monitoreo.
INTRODUCCION
El diseño, desarrollo e implementación de sensores para la medición de variables agroecológicas (temperatura, humedad relativa, brillo solar, entre otras) bajo condiciones controladas, busca ofrecer insumos al sector agrícola que permitan además de monitorear el desarrollo fenológico de los cultivos, acciones asociadas a la automatización [1] [2] [3] [4] [5] de procesos que repercuten de forma directa en calidad y producción de los alimentos obtenidos, reducción de costos de producción y procesamiento de la información, racionalización de las materias primas, agua y energía y además mejores índices HSEQ-calidad, salud, seguridad y ambiente.
Gorini [6], define un ambiente controlado como una estructura de madera o de hierro u otro material cubierta por cristales y/o plástico, provista por lo general de calefacción que a veces, está iluminada artificialmente y en donde se pueden cultivar hortalizas tempranas, flores y otro tipo de plantas. Autores como [7] informan del comienzo de los invernaderos en Colombia, y afirman que las primeras exportaciones son realizadas por la agroindustria de la floricultura en la década de los 60.
Por otra parte, al hablar de invernaderos con sensores y automatización desde el contexto local, se puede decir que las primeras iniciativas a escala son gestadas bajo el marco del proyecto denominado “Fortalecimiento de la capacidad de investigación en ambientes controlados”, desarrollado por la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria, CORPOICA y el Instituto Colombiano Agropecuario ICA. Lo anterior con recursos del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia. “Los invernaderos serán computarizados, de última generación y conectados a estaciones climáticas. En ellos se evaluará la adaptación de las especies bajo condiciones protegidas y se determinarán las condiciones óptimas para lograr altos niveles de productividad” [8].
Al entrar en contexto con la producción de biomasa ya sea representada en productos para el consumo directo (frutas, hortalizas y gramíneas) o indirecto (ornamentales de corte o de matera), se destacan variables que afectan de manera significativa la producción. Dentro de estos factores se destaca los cambios climáticos abruptos que afectan de forma directa el desarrollo y producción de los sistemas agrícolas, casos puntuales, los fenómenos conocidos con los nombres de El Niño, La Niña - Oscilación del Sur - ENOS, los cuales son causa de la mayor señal de variabilidad climática en la franja tropical del océano Pacífico, en la escala interanual. El Niño y su fase opuesta La Niña, son las componentes oceánicas del ENOS y corresponden, en términos generales, a la aparición, de tiempo en tiempo, de aguas superficiales relativamente más cálidas (El Niño) o más frías (La Niña) que lo normal en el Pacífico tropical central y oriental, frente a las costas del norte de Perú, Ecuador y sur de Colombia. [9].
Así mismo el tema asociado a las plagas, las cuales son definidas [10] como cualquier individuo capaz de generar alteraciones fisiológicas a los cultivos, generando daños económicos para el productor. Dentro de las plagas más frecuentes se destacan artrópodos, ácaros y microorganismos como bacterias virus y hongos, entre otras.
Por lo anteriormente expresado, la presente investigación buscó diseñar e implementar una red de monitoreo de variables agroecológicas en ambientes controlados (invernaderos) que permiten mejorar la competitividad del sector agrícola, con el monitoreo de dispositivos electrónicos que permitan un acercamiento hacia los procesos de automatización a costos asequibles por el agricultor-productor.
Por consiguiente, este artículo se organiza con una breve descripción del contexto, justificación y objetivo de la investigación, la segunda parte describe el modelo de funcionamiento del hardware y el software, la tercera parte aborda el caso de estudio para finalizar en los resultados y conclusiones.
MODELO
El prototipo de experimentación se implementó en varias fases, las cuales se describen a continuación: en primera instancia, se utilizaron diferentes tipos de microcontroladores y se contempló el respectivo desarrolló en Arduino. Para la transmisión de datos a internet se usó el módulo de comunicaciones ESP8266. Para la trasmisión por bluetooth, se trabajó el módulo HC05 con la finalidad de contar con una conexión a teléfono celular, los sensores usados fueron: ds18b20 y dht11, el modelo de hardware y el proceso general de comunicación se observan en la ilustración 1.
Ilustración 1. Proceso del modelo del sistema de monitoreo.
La estructura de la programación del prototipo de hardware se observa en la ilustración 2 donde se hace énfasis en el sistema de comunicaciones WIFI, el cual se hace entre la plataforma Arduino y el módulo de comunicaciones ESP 8266 con comandos AT para la comunicación con la plataforma de IoT thingspeak.
Ilustración 2. Modelo de funcionamiento prototipo de hardware
El sistema de monitoreo también se implementó con transmisión vía bluetooth, el cual se observa de manera clara en la ilustración 3.
Ilustración 3. Modelo de funcionamiento prototipo de APP
CASO DE ESTUDIO
La red de monitoreo se implementó en un cultivo de plantas ornamentales de maceta en diferentes espacios, para supervisar las siguientes variables agroecológicas: temperatura, luminosidad y humedad, en la ilustración 4 se observa el respectivo prototipo de diseño y en la ilustración 5 se observa una de las pruebas realizadas al tipo de plantas seleccionadas.
Ilustración 4. Diseño de prototipos
Ilustración 5. Prueba básica de medición de variables.
La configuración en la plataforma thingspeak uso tres canales para el monitoreo con las llaves públicas y los key, la prueba inicial se simulo en el software proteus construyendo los respectivos circuitos electrónicos, en la ilustración 5 se observa la prueba de dos prototipos frente al patrón de intensidad de luz, la ilustración 6 enseña los canales utilizados en la plataforma de internet para dos variables, es importante resaltar que las plataformas web requieren de un tiempo de espera para la recepción de datos por lo que la transmisión de datos de los prototipos también lo tienen.
Ilustración 6. Canales usados para el monitoreo.
La aplicación APP se realizó con app inventor para realizar la conexión con bluetooth, la ilustración 5 muestra la implementación
Ilustración 7. APP implementado.
RESULTADOS
Variable de temperatura
La temperatura afecta la tasa de desarrollo de la planta a través de sus distintas fases y la producción de hojas, tallos y otros componentes. Todos los procesos fisiológicos de la planta ocurren más rápidamente a medida que la temperatura aumenta entre una temperatura base y una temperatura óptima [11].
Dentro de los resultados obtenidos se destaca el monitoreo de esta variable en tiempo real, con una trasmisión de datos de forma directa al usuario. Lo anterior con la finalidad de que los productores logren tomar decisiones acertadas y logren sortear con mayor éxito los posibles impases generados por elevadas temperaturas o en su defecto lo asociado a las bajas temperaturas, fenómeno conocido como heladas. La ilustración 8 evidencia el registro de temperaturas de las plantas monitoreadas.
Ilustración 8. Comportamiento de la temperatura de los dos prototipos.
Variable de humedad
El contenido de humedad del suelo es un indicador complementario y necesario en numerosos análisis [12]. Frente a esta variable, se pudo monitorear los respectivos comportamientos de la humedad del sustrato en relación con el agua aplicada en cada una de las macetas del estudio. Se evidenció un comportamiento similar y paralelo en cada uno de los prototipos diseñados frente al patrón establecido, lo que repercute de manera positiva en el conocimiento por parte del agricultor frente al recurso hídrico al interior del cultivo. Es de resaltar que “una correcta interpretación de las lecturas de humedad del suelo es muy importante para garantizar el manejo adecuado del riego y evitar excesos o en caso contrario déficits de agua que puedan afectar la planta” [13]. En la ilustración 9 se puede evidenciar el comportamiento de esta variable.
Ilustración 9. Comportamiento de la humedad de los dos prototipos.
Variable de luminosidad
Esta variable fue monitoreada de manera constante, arrojando como resultado diferentes comportamientos frente a la intensidad de luz recibida por las plantas. Es de resaltar que la luz influye tanto en el crecimiento (provisión de carbono en el proceso de fotosíntesis) como en el desarrollo de las plántulas (morfogénesis). El crecimiento de los sistemas productivos está influenciado por la cantidad de luz recibida durante todo el día [14]. El monitoreo de esta variable permite en gran medida determinar por parte del agricultor si es necesario incrementar los niveles de esta varíale por medio de luz artificial, que repercuta de manera positiva en el desarrollo vegetativo de los sistemas productivos, así como en la calidad de los productos cosechados frente a la acumulación de pigmentos fotosintéticos, lo que repercute en mejores coloraciones para el caso específico de flor de corte. La ilustración diez enseña los valores obtenidos frente a esta variable.
Ilustración 10, Comportamiento de la luminosidad de los dos prototipos.
Ilustración 11. Resultados en plataforma web
En la ilustración 11 y se observa los resultados de la captura de datos en la plataforma thingspeak de las tres variables, en la ilustración 12 se encuentran las gráficas de la aplicación desarrollada para móviles.
Ilustración 12. Resultados en APP
CONCLUSIONES
Realizar redes de sensores inalámbricos es de suma importancia sí se pretende aumentar la competitividad en el sector agropecuario del país y más cuando se trabaja con tecnologías de bajo costo, que permite su replicabilidad para cultivos a pequeña escala y su aplicación por productores de bajos ingresos económicos. No obstante, es de resaltar, que los usos de los dispositivos deben ser seleccionados de forma adecuada, como es el caso puntual del sensor dht 11, el cual tiene la debilidad de sulfatarse de forma rápida, lo que repercute en posibles errores en la medición de las variables.
Se logró determinar los valores de temperatura y humedad un caso de estudio en particular, para los dos prototipos realizados se observó que existen un error el cual depende de los sensores y de la resolución para la toma de datos, para posteriores investigaciones se plantea el determinar el error de los sensores de bajo costo parametrizados con patrones adecuados, así mismo sobre el tiempo de vida de los sensores para garantizar la correcta toma de datos.
Plantear el uso de tecnología para el sector agrícola y pecuario permite disminuir la brecha entre el agricultor-productor y las TICs, generando sinergias positivas que favorecen de manera directa el eslabón primario de la economía del país.
Bibliografía
Autores
DUVAN DAVID BARBOSA PIRA es estudiante el programa de tecnologia en electrónica de la Corporación Universitaria Minuto de Dios UNIMINUTO.
JUAN SEBASTIAN SANABRIA RODRIGUEZ es estudiante el programa de tecnologia en electrónica de la Corporación Universitaria Minuto de Dios UNIMINUTO.
HASSLER CAMILO BUENO MESA es estudiante el programa de tecnologia en electrónica de la Corporación Universitaria Minuto de Dios UNIMINUTO.
EDGAR AGUIRRE BUENAVENTURA es estudiante de doctorado en ingeniería de la Universidad Distrital francisco José de Caldas y trabaja como profesor en el programa de tecnología en electrónica de la Corporación Universitaria Minuto de Dios. Sus líneas actuales de investigación son sistemas de alertas tempranas, sistemas multiagente, robótica y agrónica. eaguire@uniminuto.edu.
DANIEL ANDRES VEGA CASTRO Daniel Andrés Vega Castro es M.Sc en Educación. Docente e investigador de la Corporación Universitaria Minuto de Dios, Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Agroecológica. Bogotá́, Colombia. agroecologiavega@gmail.com..