RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA EL MONITOREO DE VARIABLES AGROECOLÓGICAS EN CULTIVOS BAJO INVERNADERO

Network of wireless sensors for monitoring agroecological variables in greenhouse crops

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.

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

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.

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.