Parameters

Los Motes (figura 2.4) normalmente consisten en un procesador, un módulo de radio, una fuente de alimentación y uno o más sensores montados en el mismo o conectado al mismo mote. El procesador controla todas las funciones del nodo (acceso a los sensores, el control de las comunicaciones, la ejecución del motor de estado, etc.). El módulo de radio transmite y recibe a través de un estándar de comunicación. Las normas que mejor se adapten a las exigencias impuestas por el desarrollo de las redes de sensores y que incorporan la mayoría de los módulos de radio utilizados en las motas son IEEE 802.15.4 y ZigBee los que les permite pasar del estado de latencia a realizar la transmisión necesaria y rápidamente volver a ese estado de mínimo consumo energético (Gascón, 2010).

Estos estándares están diseñados para aplicaciones en las que la velocidad de transferencia no es muy grande, pero que hacen posible que los nodos de la red puedan ser alimentados por baterías y para funcionar durante semanas o incluso meses sin necesidad de recarga (Riquelme et al., 2009).

Para extender la vida de la batería, periódicamente un nodo WSN se enciende y transmite datos alimentándose del radio y posteriormente apagándose para conservar energía. La tecnología de radio WSN debe lograr la eficiencia en la transmisión de una señal y permitir al sistema regresar al estado de latencia (modo sleep) con un uso mínimo de energía. Esto significa que el procesador involucrado debe ser capaz de despertar, encenderse y volver al modo de latencia de manera eficiente. La tendencia del microprocesador para WSN incluye la reducción de consumo de energía mientras mantiene o incrementa la velocidad de procesador. Parecido a su opción de radio, la compensación de consumo de energía y velocidad de procesamiento es clave al seleccionar procesador para WSN.

Figura 2.4 Ejemplo de mote (Placa Waspmote)

Anatomía del Mote

El mote en su estructura consta de (figura 2.5):

 Un procesador que puede encontrarse en diferentes modos (dormido, ocioso, dormido)

 Fuente de alimentación (baterías o paneles solares)

 Memoria para almacenamiento de datos y uso del programa  Radio utilizado para la comunicación

 Sensores

Figura 2.5 Anatomía del Mote

2.2.3 Estandarización

Dada la particularidad de los requerimientos que las redes de sensores sin hilos necesitan, para mayo de 2003 se impulsó la creación del estándar IEEE 802.15.4 que se concluyó para

octubre del mismo año. Seis meses después la Zigbee Alliance publicó las especificaciones indicando las recomendaciones para aplicaciones funcionando sobre dicho estándar con el fin de compatibilizar la producción de dispositivos y uniformizar las investigaciones.

2.2.4 Sensores

Los sensores pueden ayudar a los investigadores a entender precisamente cómo el agua se mueve a través de un campo, además de allanar el camino hacia el desarrollo de mejores modelos para predecir el crecimiento de los cultivos y su rendimiento. Así como comprender mejor la actuación del carbono y del nitrógeno dentro de los ciclos de los suelos.

Pueden ser de distintos tipos y tecnologías y su función es tomar la información presente en el medio y luego la convierten en señales eléctricas (Córdoba and Buitrago, 2013).

Dependen de la aplicación que se le dé al dispositivo; por ejemplo, pueden incluir sensores de temperatura, luminosidad, humedad, presión, acelerómetro, magnetómetros, sensores químicos o acústicos (González, 2014).

Figura 2.6 Sensor de temperatura y humedad

Figura 2.7 Sensor de humedad montado

2.2.5 Aplicaciones

En la bibliografía consultada existen numerosos ejemplos implementados en la agricultura sobre las WSN debido a que se logra una mejor comunicación en grandes extensiones de campo consiguiendo eliminar las conexiones por cables permitiéndole mayor flexibilidad a la hora de ser implementado en algún tipo de cultivo específico, un ejemplo de ello es el

desarrollado por (Yahide et al., 2015) donde implementan un sistema de riego inteligente por goteo basado en microcontroladores y en la aplicación web para el monitoreo y control del sistema de suministro de agua de manera remota. Todo el sistema está en la infraestructura de la WSN. El monitoreo del agua se realiza mediante las lecturas de los sensores en el campo. El siguiente gráfico (figura 2.8) muestra cómo se encuentra estructurado este sistema.

Figura 2.8 Estructura del sistema

Está integrado por sensores de luz, humedad del suelo, temperatura, PH y humedad ambiental. El Micro-Controlador es el corazón de todo el sistema ya que controla todas las operaciones. Posee un convertidor ADC (analógico a digital) para que la señal analógica pase a digital y poder ser interpretada por el microcontrolador. Tiene válvulas de solenoide que actúan de acuerdo con el valor umbral de la humedad del suelo. La estación base es la unidad principal que controlar las válvulas y toma datos de todos los sensores. El servidor recoge los datos de toda la WSN y toma las decisiones para cada valor de umbral de cualquier sensor. En la aplicación Web se recogen los datos de la agricultura en el campo desde el servidor donde se despliega la aplicación de WSN. La aplicación web proporciona una interfaz gráfica al usuario y además gráficos con los valores de los datos de los sensores por lo que es fácil de entender para el usuario a la hora de analizar y tomar decisiones.

En este trabajo podemos ver como desventajas que no se toma en cuenta factores como las condiciones climáticas, además también se puede ver limitado ya que es necesario el uso de internet y su acceso puede ser restringido.

Otro caso es el de (Sandhu et al., 2012) donde el sistema está previsto para ser implementado utilizando la red distribuida de sensores inalámbricos (WSN) que utiliza la tecnología Bluetooth para sistemas de riego de tasa variable basados en sensores. El WSN utiliza una red ad hoc, es decir, una red inalámbrica móvil. Las redes ad hoc tienen ventajas para aplicaciones agrícolas, ya que la movilidad y la autoconfiguración son más adecuados para una red de sensores distribuidos en campos.

El sistema consiste en sensores de campo, una estación de control de riego, y un controlador de nivel de humedad, y también un circuito temporizador. Los sensores de campo monitorear las condiciones del campo de la humedad del suelo, temperatura del suelo, y la temperatura del aire, mientras que una estación meteorológica cercana supervisa la información micro meteorológica en el campo como la temperatura del aire, humedad relativa, precipitación, velocidad del viento, dirección del viento, y energía de la radiación solar. El dispositivo contiene un temporizador incorporado que calcula el tiempo que se necesita para ejecutar el dispositivo de irrigación. Todos los datos sensoriales de campo se transmiten de forma inalámbrica a la estación de control de riego. La estación de control procesa los datos sensoriales de campo a través de un programa de toma de decisiones fácil de usar y envía comandos de control a la estación de control de riego. El sistema de control de riego envía una instrucción de partida hasta el dispositivo de irrigación. Si ocurre un cualquier cambio diferente de la humedad del aire se transmiten al controlador de riego, el dispositivo envía una interrupción a la unidad de contador de tiempo y el riego se corta hasta que calcula los nuevos valores en base a los nuevos datos recibidos por el controlador de riego.

Figura 2.9 Flujo de datos del modelo que describe el flujo del sistema

2.3 Microcontroladores

El riego mediante sensores de humedad del suelo y microcontroladores constituye un instrumento exclusivo que puede alimentar automáticamente las plantas con agua de acuerdo a su necesidad, sin interferencia de los agricultores. El diseño de un sistema de riego inteligente administra la circulación del agua en el campo y salpicará la mezcla de pesticida uniformemente en la proporción deseada adecuada por las plantas de forma automática. En la publicación de (Kumar et al., 2013) se desarrolla un sistema que se compone de sensores de humedad del suelo para conocer el estado del nivel de agua en la granja, válvulas de solenoide para controlar el flujo de agua de la granja, rociadores para la pulverización de la mezcla de plaguicidas y un controlador para el procesamiento de datos y el control de todas las operaciones.

La arquitectura del sistema se muestra en el diagrama de bloques (figura 2.10). El funcionamiento del instrumento se ha clasificado en dos clases de control de riego y control de plaguicidas.

Figura 2.10 Diagrama en bloques

Control de riego

Como se muestra en el diagrama de bloques, el agua fluye a través de los tubos (p1, p2, p3) a sus respectivos campos. Cuando un campo obtiene su nivel de humedad requerido se detiene la válvula para cerrar el flujo al campo particular y si se requiere el riego de nuevo la válvula es abierta. Cuando todos los campos adquieren suficientes niveles de agua, entonces el sistema está programado para apagar el motor principal.

Control de Plaguicidas

Con el fin de mezclar y rociar los fertilizantes a las plantas en una proporción definida, este sistema rocía los fertilizantes de forma automática de acuerdo con la relación de entrada dada. Para este mecanismo se necesitan dos motores con el fin de bombear el agua y pesticidas a un tanque donde se puede mezclar a fondo de la cual la mezcla puede ser rociada sobre el campo de manera uniforme. Aquí inicialmente todos los rociadores estarán en estado de apagado. Cuando una relación se da como entrada entonces se determina que aspersor en particular debe regar la mezcla de plaguicidas en un campo en particular.

2.4 Lógica Borrosa

La lógica borrosa (fuzzy logic) ha surgido como una herramienta lucrativa para el control de subsistemas y procesos industriales complejos, así como también para la electrónica de entretenimiento y hogar, sistemas de diagnóstico y otros sistemas expertos. Con esta lógica se pretende representar de forma rigurosa el significado de los enunciados imprecisos del lenguaje natural.

Lo central en la lógica borrosa es que, de modo distinto a la lógica clásica de sistemas, se orienta hacia la modelización de modos de razonamiento imprecisos, los cuales juegan un rol esencial en la destacable habilidad humana de trazar decisiones racionales en un ambiente de incertidumbre e imprecisión. Esta habilidad depende, en cambio, de nuestra habilidad de inferir una respuesta aproximada a preguntas basadas en un conjunto de conocimiento que es inexacto, incompleto o no totalmente confiable.

La lógica borrosa es básicamente una lógica que permite valores intermedios para poder definir evaluaciones convencionales como sí/no, verdadero/falso, negro/blanco, etc. Las nociones como "más bien caliente" o "poco frío" pueden formularse matemáticamente y ser procesados por computadoras (Salvador et al., 2007).

Figura 2.11 Estructura básica de un controlador borroso

En (Gao et al., 2013) se implementa un diseño que combina la red de sensores inalámbricos con el sistema de control difuso en el sistema de riego inteligente para el ahorro de agua, se

realizó un monitoreo y control a distancia on-line. En los nodos de la zona de vigilancia se utilizaron dispositivos de energía solar y batería de litio para proporcionar energía, que tiene cierta importancia práctica para resolver el problema de la energía limitada; usando el conjunto de protocolos de red de múltiples saltos para comunicarse, los nodos tienen la característica de auto-organización, bajo consumo de energía y alta fiabilidad. El sistema dispone de un método de control que adopta doble entrada y de salida única borrosa, se utiliza la caja de herramientas Lógica Fuzzy para el modelado y el análisis del sistema, y se demostró la relación entre la entrada y la salida del sistema.

Sensores

El tipo de sensor de humedad del suelo es TDR-3A, que es producida por Jinjiang Sol Tecnología Co., Ltd. El sensor es un instrumento ideal, que puede medir la temperatura y la humedad del suelo y tiene las características de sellado, a prueba de agua, de alta precisión.

Parámetros de medición

Índice de rendimiento

Humedad rango: 0～100% exactitud: ±2%

medición del campo: un cilindro con diámetro de 3cm voltaje de trabajo: 12V～24V DC

circuito de trabajo: 50～70mA, salida: 4~20MA

Tabla 2.1 Parámetros tecnológicos del sensor

Otro ejemplo es (Salvador et al., 2007) donde se lleva a cabo un proyecto que consiste en una aplicación práctica de la lógica borrosa permitiendo simular por software la evolución de un entorno de regadío simple en el tiempo, modificando ciertas condiciones ambientales como pueden ser la temperatura ambiente, humedad relativa de la tierra, la incidencia del sol según la época del año en la que nos encontremos así como el grado de nubosidad ambiental, factores determinantes en el riego de cultivos y posibilitando la elección de realizar inferencias para el cálculo del tiempo de riego según lógicas del producto, logrando controlar el tiempo de apertura de válvulas de regadío de manera que consiga regular el riego en tiempo

real optimizando el agua de un depósito del que se surte y reaccionando ante la situación externa.

Para ello se desarrollará un entorno de simulación en Java para visualizar gráficamente el comportamiento de la aplicación frente a la variación de los distintos parámetros de entrada, ya sea de manera instantánea, diaria o mensual.

Este sistema tiene una simulación gráfica en la que se podrán hacer cambios externos y observar la respuesta del mismo. La implantación real con sensores no es posible por problemas de presupuesto.

2.5 Consideraciones del capítulo

Sin duda alguna el camino a la agricultura inteligente debe ser tomado por cada agricultor por la necesidad actual de lograr más con menos. Con los ejemplos planteados se pude apreciar que las WSN constituyen uno de los requisitos fundamentales para establecer las comunicaciones por su factibilidad en el campo dando posibilidades de adaptarse a las necesidades cambiantes.

Se ha discutido acerca de implementaciones de microcontroladores y la lógica fuzzy analizando su funcionalidad y características principales que permiten el desempeño óptimo del riego inteligente.

CAPÍTULO 3.

Implementación en Cuba de un sistema automatizado de