Agricultura de precisión mediante WSN con nodos

inteligentes aplicada a un sistema de riego en

cultivo de mora

Precision agricultureusing WSNwith smartnodes appliedto

an irrigationsystem inblackberry cultivation

MarjorieParedes

∗

,WilsonZúñiga

†

,AndrésMorochoCaiza

‡

,MaríaMendoza

∗,§

,InvestigadorIndependiente,Riobamba,Ecuador.

†,‡

,Escuela SuperiorPolitécnica deChimborazo, 060155,Riobamba, Ecuador.

Email:

∗

marjorieparedesv@hotmail.com,

†

wilson.zuniga@espoch.edu.ec,

‡

andres.morocho@espoch.edu.ec,

marymjc60@hotmail.com

Resumen— La red de sensores inteligentes para la super-

visión y control de riego de la parcela de mora en el Centro

Experimental de Riego (CER) de la ESPOCH consiste en un

sistema electrónico de sensores inalámbricos basados en tarjetas

de desarrollo Arduino. El sistema se basa en tres nodos con una

topología de red tipo malla que permiten medir la humedad del

sueloyla temperatura ambienteparasugerirenquémomento es

necesario realizar el riego y su volumen. Además, incluye una

aplicación móvil que mantiene una comunicación vía Bluetooth

paralavisualizacióndelaslecturasdelnodosensor.Porotrolado,

los datos sonreceptados yvisualizados entiempo realde manera

gráﬁca y almacenados en la plataforma libre ThingSpeak. La

adquisición de las muestras se las realizó durante ocho días

consecutivosylosresultados

presentadosmuestran

queelsistema

inalámbrico implementado mantiene una comunicación sin

perdida a distancias de 300 metros en línea de vista directa con

unapotenciaderecepciónde-58dBm.

PalabrasClave— Reddesensores, Topologíadered,Cultivo

de precisión, Control de riego.

Abstract— Intelligent sensor network for the supervision

and control of irrigation of the blackberry plot in the Experi-

mental Irrigation Center (CER) of the ESPOCH consists of an

electronic system of wireless sensors based on Arduino develop-

ment boards. The system consists of three nodes with a mesh-

type network topology that allow measuring soil moisture and

ambient temperature to suggest when it is necessary to irrigate

and its volume. In addition, it includes a mobile application that

maintainscommunicationviaBluetoothtoviewthereadingsfrom

the sensor node. On the other hand, the data is received and

visualized in real time in a graphical way and stored in the free

ThinkSpeakplatform.Theacquisitionofthesampleswascarried

out duringeight consecutivedays andthe results presented show

thatthewirelesssystemimplementedmaintainsacommunication

without loss atdistances of300 metersin direct lineof sightwith

a reception power of -58dBm.

Keywords—

Sensor network, Network

 topology, Precision

cultivation, Irrigation control.

I. INTRODUCCIÓN

El agua es un insumo limitado y de carácter vital en la

agricultura, su distribución óptima es una prioridad [1]. Sin

embargo, se siguen instalando distintos métodos de riego sin

medición de la humedad del suelo, sincontrolar el tiempode

riego e identiﬁcación de la porción de suelo que realmente

necesita ser abastecida por agua [2]. Esto es una desventaja

porque el déﬁcit de riego causa un bajo rendimiento en su

producción, pero también el exceso de riego puede desenca-

denarinfertilidadpermanente [3].Enestepuntoes cuandolos

conceptos de la agricultura de precisión dejan de ser tan solo

una opcióntecnológica y seconvierten en una necesidad para

cubrirdeformaprecisalademandahídricadeuncultivo[4].

En la última década ha cobrado más popularidad el con-

cepto de agricultura de precisión [5], la misma que consiste

en aplicar la cantidad correcta de insumos, en el momento

adecuado yen el lugarexacto [6]. Está enfocadaen el usode

la tecnología de la información para un adecuado manejo del

suelo y sus cultivos [7].

En el Ecuador la demanda de agua en su mayoría se

concentraen el sector

 agrícola conun 81%, el 13% enel uso

doméstico y un 6% para el uso industrial. El país cuenta con

una superﬁcie cultivada de 6.3 millones de hectáreas y el

potencial de riego corresponde a la mitad. Sin embargo los

sistemas implementados cubren la necesidad de 1.5 millones

de hectáreas, siendo únicamente 942 mil hectáreas regadas

efectivamente. Adicionalmente, la faltade mantenimientoa la

infraestructura da como resultado 600 mil hectáreas subuti-

lizadas[8].

El Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC)

muestra que en Ecuador, en el año 2015 se registraron 1945

sistemas de riego con una superﬁcie de 358981.47 hectáreas,

delascualesel74.44%correspondeasuperﬁcieefectivamente

regadaconunabrechadel25.56%.Estosdatosrevelanquelos

sistemas de riego existentes presentan un porcentaje con-

siderablededesperdiciodelrecursohídrico.

/ JULIO - DICIEMBRE 2021

Fecha de Recepción: 14/may/2021 Fecha de Aceptación: 29/jun/2021 DOI: 10.47187/perspectivas.vol3iss2.pp26-30.2021

Figura 1. Arquitectura general del sistemainalámbrico.

En vista a estas cifras, se han implementado sistemas

de riego automático en la ciudad de Riobamba (Ecuador).

En uno de estos trabajos, se utilizó algoritmos de lógica

difusa que activa o desactiva las electroválvulas para el riego

dependiendo de las lecturas de los sensores ambientales [9].

Demaneraparticular,elCentroExperimentaldeRiego(CER)

de laEscuela Superior Politécnica deChimborazo (ESPOCH)

posee plantaciones de mora controladas mediante el método

gravimétrico para la obtención de porcentajes de humedad

y distribución del recurso hídrico en la plantación. Esta in-

vestigación se centra en la automatización del riego, con el

objetivo único de optimizar el uso de agua en el cultivo de

mora, adoptandolos conceptos deuna agricultar de precisión.

En estesentido, se demostrará comoel uso de lastecnologías

de la agricultura de precisión puede mejorar el rendimiento

(cantidad o calidad) del cultivo, optimizando la cantidad de

insumos requeridos para su producción[10].

II. M

ETODOLOGÍA

Lainvestigacióndesarrolladasebasaenunanálisishistórico

bibliográﬁco de datos relacionados con la problemática para

establecer requerimientos funcionales hardware y software,

con lo cual se planteó una concepción general del diseño

acompañada del análisis detallado de cada una

 de las partes

que lo integran, así como los esquemas electrónicos y algo-

rítmicos,quederivanenlaimplementacióndelaWSN.Parala

obtención y análisis de resultados se emplearon pruebas es-

tadísticas.Acontinuación,sedetallaelprocedimientoseguido.

A. Diseño del prototipo de la red de sensores

La red está integrada por tres nodos: sensor, actuador y

controlcomo seapreciaen laFig.1. Losnodosse comunican

mediante la tecnología Zigbee y cumplen con su función

basándose en la topología de red Malla que forma parte de

la WSN. Este tipo de topología consiste en una agrupación

y comunicación entre nodos que sean capaces de transmitir y

recibir información de manera inalámbrica[11].

En la Fig. 2, se presenta el diagrama de bloques del nodo

sensor, el cual tiene como objetivo la adquisición en tiempo

realdenivelesdehumedaddelsueloylatemperaturaambiente

enunazonadeterminadadelcultivo.Cadanodosensorcuenta

conalimentaciónindependienteprovenientede unpanelsolar,

los datos obtenidos por los sensores son visualizados en una

Figura 2. Diagrama de bloques delnodo sensor.

Figura 3. Diagrama de bloques delnodo actuador.

pantallaLCD(LiquidCristalDisplay,porsussiglaseninglés)

cuentan además con un módulo transmisor XBee que es el

encargadodelatransmisióninalámbricadedatoshaciaelnodo

control utilizando la tecnología de comunicación inalámbrica

ZigBee. Además se integra un módulo GSM SIM900 que es

el encargado de enviar alertas a través de mensajes de texto.

La cantidad de nodos dependerá dela extensión del terreno y

necesidades del cultivo.

Eldiagramadebloquesdelnodoactuadorsepuedeobservar

en la Fig. 3. Este nodo recibe la orden del nodo de control a

través del módulo XBee para empezar el riego activando una

electroválvula,ademáscuentaconunmedidordeﬂujodeagua

para llevar un registro de la cantidad de agua utilizada por el

cultivoenunlapsodeterminadodetiempo.

Finalmente, el diagrama de bloques del nodo de control se

puedeobservaren laFig.4.Esel encargadodelarecolección

de información, actúa como transmisor y receptor, recibe

información del nodo sensor y genera la orden para el nodo

actuador.Elnododecontrolconstadeunatarjetadedesarrollo

encargada de desencapsular losdatos recibidos por

 el módulo



XBee.

B. Software de la red de sensores inalámbricos

El software para el análisis de la topología de red que se

utilizó es RiverbedModeler Academic, el mismoque permite

la simulación de red con un rápido análisis y diseño [12].

Consta de un paquete de protocolos y tecnologías en un

entorno soﬁsticado de desarrollo, en su modelado incluye

varios tipos de red como: VoIP, TCP, OSPFv3, MPLS, IPv6

entre otras. Este software analiza redes, prueba y demuestra

diseñostecnológicosantesdelaproducción.

En la Fig. 5, se muestra la carga y retrasos promedios de

las topologías realizadas en la simulación donde se aprecia

/ JULIO - DICIEMBRE 2021

Figura 4. Diagrama de bloques delnodo control.

Figura 5. Retraso promedio y cargapromedio de datos.

que la topología de red de malla tiene unretraso de 5.2 msa

diferencia de la topología de árbol con un retraso de 6.3 ms.

Además,latopologíademallatienemayorvelocidaddecarga

con25Kbps.Conesteanálisis,seratiﬁcaalatopologíadered

de malla para la implementación del sistema, siendo esta la

topología que cumple con las necesidades del sistema a ser

implementado.

Para cada nodo del prototipo se implementó un programa

realizado en Arduino IDE (Integrate Development Environ-

ment, por sus siglasen inglés) en la versión 1.8.3. El módulo

Arduino permite realizar la adquisición de los datos y no

tiene problemas en trabajar con los diferentes protocolos de

comunicación empleado [13].

Para la conﬁguración del módulo Xbee, se trabajó con la

herramienta XCTU, que es un software libre utilizado para la

conﬁguración de una arquitectura de la red inalámbrica. Con

esta herramienta se conﬁguran los módulos de comunicación

para que el mismo identiﬁcador (ID) y canal dentro de lared

[14]. Las pruebas se realizaron utilizando las herramientas

disponibles en XCTU como se muestra en la Fig. 6, teniendo

unacomunicación establey sin

pérdidade

paquetes hasta300

men líneade vistadirecta. Apartir deesa distanciaexiste un

retrasode2a5segundosenlarecepción,sinpérdidadedatos.

Entonces,paraesteestudioseconsideraron300mcumpliendo

conlosrequerimientosdelsistema.

Se emplearon dos softwares para la visualización de los

resultados. El primero es una plataforma de código abierto,

llamada ThingSpeak, que se conectan de manera remota con

los módulos que toman la información de los sensores de

humedad, temperatura y caudal de agua. Estos datos, se

almacenan en un archivo con extensión .xlsx y se graﬁcan en

tiemporeal.ElsegundosoftwareesAppInventor,conel

Figura 6. Comunicación entre nodos.

Figura7. Prototipodelnodosensor(izquierda),nodocontrol(centro)ynodo

actuador (derecha).

Figura 8. Combinación del micro-switch para nodo 1 (izquierda) y combi-

nación del micro-switch para nodo 32 (derecha).

cual se realizó una aplicación móvil para visualizar los datos

que envía el nodo sensor a un dispositivo móvil mediante

Bluetooth.

EnlaFig.7,sepresentanlasfotografíasdelosprototiposde

los nodos implementados, con los que se realizó las pruebas

de funcionamiento.

III. R

ESULTADOS

A. Pruebasdeconﬁguracióndeidentiﬁcadores

Esta prueba consiste en veriﬁcar la comunicación entre las

placas electrónicas de los nodos, mediante la conﬁguración

manual de la identiﬁcación del nodo con la combinación

binaria usando un micro-switch que permite ingresar hasta 64

identiﬁcadores. En la Fig. 8, se muestra un ejemplo de la

conﬁguracióndecódigosdeidentiﬁcacióngenerados.

Figura9.EnvíodenotiﬁcacionesatravésdelaredGSM.

Figura10. Visualizacióndedatosdetemperaturayhumedadenlaplataforma

ThingSpeak.

B. Pruebas de comunicación con modulo SIM900GSM

El nodo sensor tiene incorporado entre sus dispositivos un

móduloSIM900queeselencargadodeenviarnotiﬁcacionesa

través de la red GSM cuando se activa el sistema de riego

comosemuestraenlaFig.9.Estemensajeincluyeelavisode

la válvula activa, el identiﬁcador del nodo, la humedad y

temperatura. Esta notiﬁcación llega al dispositivo móvil

despuésde8squelatarjetaeléctrónicaenvíalaorden.

C. Pruebas de comunicación con modulo ESP8266

El nodo sensor y actuador mantienen una comunicación

inalámbrica por medio del módulo ESP8266, mismo que es

capaz de alojaruna aplicación o acatar todaslas funciones de

la red Wiﬁ enviadas desde otro procesador de aplicaciones

[15].Estedispositivoesel encargado deenviarlaslecturasde

los sensores de humedad y temperatura a la plataforma libre

ThingSpeak, donde la información es almacenada y graﬁcada

entiemporeal,comosemuestraenlaFig.10.

D. Pruebas de comunicación entre Bluetooth y aplicación

móvil

El nodo control cuenta con un módulo Bluetooth que es

el encargado de enviar datos en tiempo real a la aplicación

móvil,

como se

 muestra en la Fig. 11. El nodo sensor y

actuador envían datos constantementeal nodo de control para

su visualización con un alcancede hasta 10 m sin retardos.

Figura 11. Monitoreo en la aplicación móvil (izquierda) y visualización en

el nodo sensor (derecha).

Figura 12. Área de la parcelade mora.

Tabla I

ONSUMO DE AGUA EN LA PARCELA USANDO GOTEROS DE 16mm

-0.3L/s

Total

Goteros

Caudal

Agua/min

Minutos de

Riego

Total

Consumo (L)

560 1,8 30 30,24

560 1,8 60 60,48

560 1,8 120 120,96

560 1,8 180 180,44

E. Pruebas del sensor de caudal de agua

El cultivo de mora ubicado en la Facultad de Recursos

Naturales cuenta con 140 plantas de mora. El terreno tiene

una dimensión de 32x52 m

, como se muestra en la Fig. 12.

Cadaplanta tienecuatro goterosde 16mm, dandoun totalde

560 en el área decultivo.

En la Tabla I, se detalla la cantidad de agua utilizada por

tota la parcela del cultivo durante en el proceso de riego

supervisado durante 3 horas, mientras que en la Tabla II se

detallaelconsumode agua registradoporcadanodoinstalado

en cada planta de laparcela.

Elcultivode 140plantasdemora consume180.44litrosde

aguaentreshorasderiegoqueequivalea1.2litrosporplanta.

El sistema implementado determinó que tres horas de riego

fueronsuﬁcientesparallegaralvaloróptimodehidrataciónde

las plantas a diferencia de las cuatro horas empleadas por el

CER.Estorepresentaunahorrode60.48litrosdeagua.

Tabla II

ONSUMO DE AGUA POR CADA PLANTA USANDO GOTEROS DE 16mm

-0.3L/s

Goteros por

planta

Caudal

Agua/min

Minutos de

Riego

Total

Consumo (L)

4 1,8 30 0,21

4 1,8 6 0,43

4 1,8 120 0,87

4 1,8 180 1,2

IV. CONCLUSIONES

Se implementó una red de sensores para monitorear y

controlar el cultivo de mora en el CER – ESPOCH. La red

tiene una topología tipo mallacon comunicaciones inalámbri-

cas como Zigbee, Wiﬁ, Bluetooth y GSM. Para controlar el

sistema de riego de 140 plantas,se utilizaron 180.44 litros de

aguaentreshorasderiegoqueequivalea1.2litrosporplanta,

determinandounahorrode60.48litrosencomparación con el

sistema tradicional. Estos resultados implican que para riegos

programadosdetresvecesporsemana,secalculaunahorrode

725.76 litros de agua por mes y 8709.12 litros por año. El

sistema implementado permite incorporar hasta 64 nodos,

considerandoquelahumedaddelsueloesconstantehasta100

m a la redonda de la planta. Se determina que el prototipo

implementado puede cubrir aproximadamente un área de

cultivosdehasta200hectáreas.

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