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Monitoreo IOT utilizando una red de sensores inal�mbricos para el cultivo de cacao

 

IoT monitoring using a wireless sensor network for cocoa cultivation

 

Monitoriza��o IOT usando rede de sensores sem fios para o cultivo de cacau

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jhidalgo@uagraria.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 22 de septiembre de 2024 *Aceptado: 11 de octubre de 2024 * Publicado: �18 de noviembre de 2024

 

        I.            Universidad Agraria del Ecuador, Guayaquil, Ecuador.

      II.            Universidad Agraria del Ecuador, Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

   III.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

   IV.            Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador.

 

Resumen

Este art�culo tiene como objetivo proteger la salud y el desarrollo de las plantas de cacao utilizando tecnolog�a de bajo costo basada en arquitectura IoT y redes de sensores inal�mbricos remotos que permitan a los agricultores controlar los factores clim�ticos que impactan directamente en el cultivo del cacao. Es una arquitectura integral en el campo de la tecnolog�a agr�cola, a trav�s de la recolecci�n de informaci�n generada por las variables agr�colas, para gestionar correctamente los recursos ambientales, mantener el control de calidad del producto, prevenir y proteger al cacao de diversos da�os. Para satisfacer las necesidades del proyecto, se introdujo tecnolog�a de c�digo abierto para ahorrar en costos de implementaci�n y tambi�n se introdujeron innovaciones como el protocolo de acceso remoto LoRaWAN para conectividad inal�mbrica.

Palabras clave: Red de sensores; Par�metros ambientales; IoT; Agricultura.

 

Abstract

This article aims to protect the health and development of cocoa plants using low-cost technology based on IoT architecture and remote wireless sensor networks that allow farmers to monitor climatic factors that directly impact cocoa cultivation. It is a comprehensive architecture in the field of agricultural technology, through the collection of information generated by agricultural variables, to properly manage environmental resources, maintain product quality control, prevent and protect cocoa from various damages. To meet the needs of the project, open source technology was introduced to save on implementation costs and innovations such as the LoRaWAN remote access protocol for wireless connectivity were also introduced.

Keywords: Sensor network; Environmental parameters; IoT; Agriculture.

 

Resumo

Este artigo tem como objetivo proteger a sa�de e o desenvolvimento das plantas de cacau utilizando tecnologia de baixo custo baseada na arquitetura IoT e redes de sensores remotos sem fios que permitem aos agricultores controlar os fatores clim�ticos que impactam diretamente o cultivo do cacau. � uma arquitetura abrangente no �mbito da tecnologia agr�cola, atrav�s da recolha de informa��o gerada pelas vari�veis ​​agr�colas, para gerir corretamente os recursos ambientais, manter o controlo de qualidade do produto, prevenir e proteger o cacau de diversos danos. Para satisfazer as necessidades do projeto, foi introduzida tecnologia de c�digo aberto para poupar nos custos de implementa��o e foram tamb�m introduzidas inova��es como o protocolo de acesso remoto LoRaWAN para conectividade sem fios.

Palavras-chave: Rede de sensores; Par�metros ambientais; IoT; Agricultura.

 

Introducci�n

El r�pido crecimiento de la poblaci�n, que se espera supere los nueve mil millones de personas en 2050, afectar� dr�sticamente tanto a la demanda como a la producci�n de alimentos. La oferta sigue por detr�s de la demanda, lo que agrava los problemas ecol�gicos que repercuten negativamente en la productividad de la agricultura tradicional (Benyezza et al. 2023). Aumentar la producci�n de alimentos y crear las mejores condiciones de cultivo son los mayores retos a los que se enfrentan pol�ticos y cient�ficos para satisfacer las necesidades alimentarias mundiales previstas.

La agricultura inteligente utiliza tecnolog�as modernas de detecci�n, computaci�n y comunicaci�n, como Internet de las Cosas (IoT), en las pr�cticas agr�colas actuales. Los beneficios de la agricultura inteligente incluyen el aumento de la productividad y la calidad de los cultivos, la gesti�n eficiente y el control de los sistemas agr�colas (Sharma et al. 2019).

Uno de los factores m�s importantes que favorecen el desarrollo del sistema agr�cola es la calidad del suelo utilizado como sustrato para el crecimiento de las plantas. La calidad del suelo es un suelo f�rtil capaz de producir cultivos f�rtiles. Las condiciones del suelo est�n influenciadas por diversos factores ambientales como la temperatura, la humedad, la luz y el pH del suelo (Fahmi et al. 2017). En este trabajo, se desarroll� un prototipo simple de un sistema de monitoreo de precisi�n agr�cola utilizando m�dulos de sensores inal�mbricos.

A lo largo de la historia, en el sector agr�cola se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos tecnol�gicos para mejorar la producci�n y los procesos. Tecnolog�as actuales como el IoT (Internet de las Cosas) permiten la disponibilidad continua de informaci�n a trav�s de Internet, aportando soluciones oportunas a todas las incidencias. Las redes inal�mbricas de sensores (WSN) son la base del Internet de las Cosas (IoT), que en conjunto crean una ciudad inteligente.

El uso de redes de sensores inal�mbricos (WSN) se ha convertido en una tendencia cada vez m�s popular para diversos casos de uso relacionados con la recopilaci�n autom�tica de datos. Esto ha sido posible gracias a una serie de avances t�cnicos y comerciales que han permitido dise�ar y desarrollar nuevas WSN a un coste relativamente bajo si el equipo de dise�o cuenta con los conocimientos y la experiencia necesarios (Ilchev 2023).

Estas WSN constan de m�ltiples sensores densamente distribuidos para controlar condiciones f�sicas o ambientales como la humedad, la temperatura, la intensidad de la luz y la concentraci�n de gases. Las lecturas de los sensores se env�an al coordinador de la red, una pasarela IP situada en el coraz�n de la red inal�mbrica (Ouni y Saleem 2022). La introducci�n del paradigma del Internet de las Cosas (IoT) permite que los entornos de almacenamiento interact�en con el producto a trav�s de sensores y conexiones inal�mbricas (Carteri et al. 2022).

Adem�s, la red de sensores inal�mbricos (WSN) es una tecnolog�a clave importante en el desarrollo de Internet de las cosas (Lin y Cheung 2020). Hapsari et al (2019) realizaron pruebas de rendimiento y fiabilidad en tres nodos sensores, que mostraron valores fiables. El proceso de recuperaci�n de datos se vuelve m�s eficiente y r�pido cuando se utiliza MQTT como protocolo de comunicaci�n.

Zhou et al (2022) utilizaron sensores inteligentes para controlar par�metros ambientales clave en un campus universitario. Utilizando la tecnolog�a de Internet de las Cosas, desarrollaron un prototipo de SPI que captura las condiciones ambientales a lo largo del tiempo. Su trabajo ten�a como objetivo proporcionar una plataforma de monitorizaci�n habilitada para SPI y sensores inteligentes que recogen, comparten, analizan y visualizan datos medioambientales.

Por �ltimo, los autores Wahid et al. (2023) construyeron un prototipo que se prob� en dos habitaciones con el objetivo de aplicar un m�todo de red de sensores inal�mbricos (WSN) para adquirir y transmitir datos de cada habitaci�n. informaci�n al sitio web. Las pruebas midieron la comparaci�n de los sensores de temperatura y humedad con dispositivos de medici�n manuales. Los resultados de este estudio muestran un error absoluto medio del 0,606% para los datos de temperatura y un error absoluto medio del 0,627% para los datos de humedad. Esto demuestra que el sistema en su conjunto es bueno y sensible.

Este estudio busca implementar la agricultura inteligente basada en redes de sensores inal�mbricos (WSN) y ESP8266 al cultivo de setas. Se utilizan sensores de temperatura y humedad como sensores y NodeMCU ESP8266 como microcontrolador para utilizar el concepto de Internet de las Cosas (IoT).

Cabe destacar que todos los elementos esenciales, aplicaciones y softwares utilizados en este proyecto son productos de c�digo abierto. Esta caracter�stica no solo aumenta la transparencia y la accesibilidad, sino que tambi�n elimina la necesidad de obtener licencias para su uso, por lo que este enfoque de c�digo abierto no solo ayuda a reducir costes, sino que tambi�n hace hincapi� en la independencia y la correspondiente flexibilidad a la hora de gestionar el sistema y adaptarlo a sus necesidades de las futuras actualizaciones.

 

Metodolog�a

Se llev� a cabo un proyecto en la finca Elizabeth ubicada en el cant�n Naranjal la cual permiti� desarrollar prototipos, para obtener un mejor cultivo de cacao en la hacienda, se tom� en cuenta cada una de las necesidades de las personas de la regi�n que consumen este cultivo, para poder obtener resultados en un tiempo apropiado y garantizar una mejor soluci�n mediante los prototipos utilizados.

Para el desarrollo del sistema se realizaron varias fases en donde cada una de ellas permiti� el obtener un prototipo, el cual ayuda a tener un mejor cultivo con una visi�n general para poder tener una soluci�n a controlar y permitir mejorar cada uno de los monitoreos para el cultivo de cacao. En la siguiente figura 1 se muestra la arquitectura del sistema de sensores del cultivo de Cacao.

 

Figura 1: Arquitectura de Sistema de Sensores

 

Los nodos El prototipo de WSN para poder controlar y mejorar los monitoreos para el cultivo de cacao incluyen:

Sensores: Se utilizaron sensores de humedad y temperatura DHT11 y sensor de luminosidad LDR LM393.

Conexi�n: Se estableci� conexi�n por medio de Wi-Fi y Bluetooth, para poder ejecutar varias aplicaciones.

An�lisis y procesado: Se utilizaron tarjetas como el EP32, el cual, permiti� programar para poder cumplir con la necesidad de los usuarios de la finca con el prototipo.

Interfaz y Aplicaci�n de usuario: Permiti� desarrollar mediante el hardware de un chip integrado inal�mbrica Lora, dise�os impresos en 3D y el uso de softwares como Ubidots, Marvelapp, Android Studio y Ilustrator de aplicativo m�vil, y se guardaron todos los datos en un Firebase.

El sistema IoT realiza las acciones programadas para el funcionamiento de la red de sensores inal�mbricos del cultivo de cacao. Se dise�� con los siguientes componentes que permitieron monitorizar el sistema para mejorar el rendimiento de la producci�n como se puede observar en la figura 2.

 

Figura 2: Componentes del Sistema de sensores

 

�         Usuario: Persona que se encarga de ingresar cada uno de los datos del cultivo para el prototipo WSN que se desarrolla en el dispositivo m�vil Android SO aplicaci�n APK.

�         Firebase: Guarda cada uno de los datos que se han ingresado en la aplicaci�n de todos los c�lculos hechos y de cada uno de los insumos necesarios para poder cuidar el cultivo.

�         Ubidots: Va a lograr obtener informaci�n de los Gateway donde va a poder tener informaci�n de varios nodos.

�         Gateway Lora: Permite que varios dispositivos puedan conectarse por medio de WI-fi y bluetooth.

El sensor permiti� monitorear el prototipo WSN de los par�metros ambientales para el cultivo de cacao:

�         Sensor de humedad y temperatura DHT11 permiti� obtener la temperatura y la humedad para tener un rango de temperatura adecuado para el cultivo.

�         Sensor de luminosidad LDR LM393 es un dispositivo que permite captar la luz.

La red de sensores permite la flexibilidad de poder tener acceso a entornos dif�ciles con ayuda de la IOT, con las bases de datos y con alta gama de chips de los microcontroladores, la cual, permite la conectividad por medio de internet para poder guardar la informaci�n.

En la siguiente tabla 1, se mencionan las funciones m�s importantes de los dispositivos.

 

Tabla 1: Dispositivos IoT para los par�metros ambientales.

Una vez ensamblado todo el prototipo, se prob� en plantas de cacao. Primero, se verifica si los nodos o sensores recopilan, procesan y env�an informaci�n a la puerta de enlace receptor, y si los datos se muestran a trav�s de la aplicaci�n web Ubidots desarrollada para el prototipo y una aplicaci�n m�vil llamada WSN Control como se puede observar en la figura 3. Para determinar el alcance del prototipo se realizaron pruebas a distancia con resultados exitosos en un radio de 200 metros. No se han realizado m�s pruebas remotas ya que la superficie de la finca a realizar es de 10.000 metros cuadrados.

 

Figura 3: Monitoreo del Sistema de sensores

 

Evaluar el sistema IoT mediante una aplicaci�n m�vil dise�ada para monitorizar la temperatura, la humedad y el nivel de luminosidad es una forma c�moda y eficaz de recopilar datos y supervisar el sistema. La aplicaci�n tiene una interfaz f�cil de usar con iconos bien definidos y funcionalidades claras.

 

Resultados

La supervisi�n de un sistema IoT mediante una aplicaci�n m�vil es una forma sencilla y efectiva de recopilar datos y monitorear el sistema. La aplicaci�n tiene una interfaz intuitiva con iconos claros y funciones bien definidas como se puede observar en la figura 4.

Los resultados obtenidos de las pruebas confirmaron la buena funcionalidad y autonom�a del prototipo. Por tal motivo se realiz� la implementaci�n de un prototipo de WSN que permite la medici�n y monitoreo de par�metros ambientales de los cultivos de cacao, logrando exitosamente las metas planteadas en este proyecto.

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Figura 4: Datos recopilados del sistema de monitoreo

 

Los agricultores especificaron que el prototipo tiene propiedades eficientes y ofrece una soluci�n para controlar mejor los par�metros ambientales de los cultivos y aumentar la productividad. El reporte de los promedios mensuales de los diferentes nodos que conforman la red de monitoreo cuyos datos se encuentran registrados en FireBase se muestran a continuaci�n como se puede observar en la figura 5 para el promedio mensual de temperatura y humedad del sensor 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 5: Promedios mensuales de temperatura(�C) y humedad (%) del nodo-sensor 1

 

En la figura 6 se puede observar los promedios mensuales de nivel de luminosidad del sensor 1, en donde se puede determinar que el mes de junio existe el mayor �ndice de luminosidad con un porcentaje del 57,8%, mientras que el mes con menos nivel es marzo con un porcentaje del 53,48% de luminosidad.

 

Figura 6: Promedios mensuales de Luminosidad (%) del nodo-sensor 1

 

En la figura 7 se puede observar los promedios mensuales de temperatura y humedad del sensor 2, en donde se puede determinar que el mes de marzo tiene el nivel de temperatura m�s alto con un total de 31,2�C, mientras que el mes con menos nivel es julio con un total 27,5�C. Para la humedad se puede observar que el mes de mayo existe el mayor nivel de humedad con un porcentaje del 55,8%, mientras que el mes con menos nivel es octubre con un porcentaje del 52,7% de humedad.

 

 

Figura 7: Promedios mensuales de temperatura(�C) y humedad (%) del nodo-sensor 2

 

En la figura 8 se puede observar los promedios mensuales de nivel de luminosidad del sensor 2, en donde se puede determinar que el mes de agosto existe el mayor �ndice de luminosidad con un porcentaje del 57,8%, mientras que el mes con menos nivel es noviembre con un porcentaje del 53% de luminosidad.

 

Figura 8: Promedios mensuales de Luminosidad (%) del nodo-sensor 2

 

En la figura 9 se puede observar los promedios mensuales de temperatura y humedad del sensor 3, en donde se puede determinar que el mes de diciembre tiene el nivel de temperatura m�s alto con un total de 31,3�C, mientras que el mes con menos nivel es julio con un total 28,5�C. Para la humedad se puede observar que el mes de febrero existe el mayor nivel de humedad con un porcentaje del 54,9%, mientras que el mes con menos nivel es abril con un porcentaje del 52,5% de humedad.

 

Figura 9: Promedios mensuales de temperatura(�C) y humedad (%) del nodo-sensor 3

 

En la figura 10 se puede observar los promedios mensuales de nivel de luminosidad del sensor 3, en donde se puede determinar que el mes de marzo existe el mayor �ndice de luminosidad con un porcentaje del 57,7%, mientras que el mes con menos nivel es noviembre con un porcentaje del 54% de luminosidad.

 

Figura 10: Promedios mensuales de Luminosidad (%) del nodo-sensor 3

A continuaci�n, se muestra en la figura 11 los datos promediados de los tres sensores de la red de monitoreo con el fin de consolidar la informaci�n correspondiente a los valores promedio de temperatura/mes y humedad relativa/mes de la finca, en los cuales se puede observar c�mo cambian los niveles de temperatura y humedad relativa a lo largo del a�o, generando evidencia de la gran variedad de condiciones clim�ticas que se pueden presentar durante los procesos de cultivo.

 

Figura 11: Promedio mensual general de temperatura(�C) y humedad (%) de la red de sensores

 

En la figura 12 se puede observar los datos promediados de los tres sensores con la informaci�n correspondiente a los valores del nivel de luminosidad de la finca.

 

Figura 12: Promedio mensual general de Luminosidad (%) de la red de sensores

Acorde con los resultados obtenidos en la siguiente tabla 2 se muestra el promedio general de los datos recopilados de temperatura, humedad y luminosidad del sistema de sensores.

 

Tabla 2: Promedio general por mes del a�o 2021, del sistema de sensores en el cultivo de cacao de la finca Elizabeth.

 

La tabla 2 muestra los resultados de pruebas realizadas en un sistema de monitorizaci�n agr�cola. La recopilaci�n de datos se centr� en tres aspectos diferentes: la temperatura, la humedad, el nivel de luminosidad. Por ejemplo, en la temperatura el promedio general de la red de sensores fue de 31,2�C con un nivel de variabilidad � 1. Este valor indica una temperatura alta, lo que puede ser perjudicial para el crecimiento de cacao.

La red de sensores inal�mbricos (WSN) es capaz de detectar eventos y enviar datos espec�ficos al administrador de la red a trav�s de Internet. Para ello, los sensores leen los datos, los procesan y los transmiten mediante LoraWan. La pasarela IP recibe los datos y los env�a autom�ticamente a Internet.

Una vez cargado el c�digo en la plataforma, es el momento de tomar las lecturas de los sensores para comprobar su funcionamiento. En este caso, se utilizan dos sensores: el sensor DHT para medir la temperatura y la humedad, y el sensor LDR para medir la intensidad de la luz. La humedad se expresa en porcentaje, donde el 100% indica la saturaci�n.

La tabla 2 tambi�n registra c�mo el sistema de monitorizaci�n identifica valores anormales, lo que permite tomar medidas para corregir el problema y garantizar que la plantaci�n de cacao tenga un crecimiento eficiente.

 

Discusi�n

Las investigaciones y estudios realizados han permitido definir el uso en agricultura de tecnolog�as similares con diferentes funciones en diferentes �reas de la agricultura. Se han analizado los par�metros ambientales que tienen mayor impacto en el cultivo del cacao, mostrando la importancia de las innovaciones tecnol�gicas.

Los resultados muestran que mediante un sistema IoT basado en la red de sensores inal�mbricos (WSN) y conexi�n LoraWan, de esta forma se puede realizar la monitorizaci�n y control de la temperatura, humedad relativa, y nivel de luminosidad requerido para el cultivo. Adem�s, el sistema permite guardar informaci�n en una base de datos y mostrarla en tiempo real al usuario a trav�s de una aplicaci�n m�vil.

El sistema desarrollado presenta similitudes con los resultados obtenidos por Berrios et al. (2022) utiliza control y monitoreo de cultivos en invernadero. Utiliza el microcontrolador ESP32, utiliza nodos sensores para recolectar mediciones de temperatura, humedad relativa, humedad del suelo, as� como el nivel de agua para riego y una LDR para medir la luminosidad. Los autores concluyen que el sistema dise�ado logra gestionar de manera efectiva los par�metros mencionados.

En una l�nea similar, Mora et al. (2019) implementan una red de sensores (WSN) para la comunicaci�n inal�mbrica entre los nodos sensores y el nodo central, utilizando el MCU ESP8266 en su m�dulo ESP-12E aplicando el IoT. Santana et al. (2020), con una configuraci�n similar basada en la arquitectura de software de una WSN y Bluetooth para el monitoreo de variables ambientales en casas de cultivos y un sistema operativo para los motes Zolertia Z1, tambi�n se emple� Contiki, de c�digo abierto y especialmente dise�ado para microcontroladores de bajo consumo y baja potencia, tambi�n eval�an su funcionalidad, incorporando la capacidad de enviar mensajes al usuario seg�n las mediciones realizadas.

�Por otro lado, en comparaci�n con medios de conexi�n como el Bluetooth, el protocolo LoraWan tiene un mayor alcance, seg�n las mediciones realizadas, de la hect�rea del terreno, lo que permite desplegar los nodos sensores a mayor distancia del nodo central para reducir el n�mero de dispositivos instalados.

La investigaci�n se limita a la monitorizaci�n y control de los par�metros estudiados, dejando como futura l�nea de trabajo, la revisi�n de la precisi�n de los datos medidos mediante procedimientos de calibraci�n, considerando que los sensores establecen una precisi�n de los valores de temperatura y humedad de � 1 �C y � 2 %, habi�ndose reportado rangos menores de temperatura por Belup� (2022) con una precisi�n de � 0,5 �C y mayores errores de humedad relativa por G�mez et al. (2017) que oscilan entre el 4 % y el 6% en climas c�lidos. Por �ltimo, tambi�n es importante establecer que los par�metros monitorizados mejoran la eficiencia del cultivo y que influyen en la productividad independientemente del tipo de cultivo.

 

Conclusiones

El sistema propuesto en este art�culo ha demostrado ser eficaz, es importante mencionar que hay que tener en cuenta el cultivo espec�fico. Deben tenerse en cuenta las caracter�sticas de cada cultivo y adaptar el sistema en consecuencia. Por ejemplo, el valor de la humedad y el contenido en nutrientes, por lo cual, es necesario adaptar los sensores y la tecnolog�a de monitorizaci�n.

Se desarroll� una plataforma basada en el Internet de las cosas (IoT) que sea efectiva en diversos tipos de cultivos protegidos. La informaci�n recabada por este sistema facilita la toma oportuna de decisiones, contribuyendo as� al mantenimiento del crecimiento y desarrollo de los cultivos de acuerdo con las metas de producci�n establecidas.

Se lograron determinar los valores de temperatura y humedad utilizando dos prototipos de sensores de bajo costo. Para futuras investigaciones, se propone determinar sensores parametrizados con patrones adecuados, as� como la vida �til de los sensores para garantizar la precisi�n de las mediciones.

El bajo consumo de energ�a y el uso m�nimo de ancho de banda del protocolo WSN hacen que este sistema sea viable, ya que permite un bajo coste que lo hace accesible especialmente para zonas rurales o remotas.

En conclusi�n, el sistema de control propuesto en este art�culo es una herramienta valiosa para el monitoreo del cultivo de cacao. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la aplicaci�n eficaz de este sistema requiere un conocimiento profundo de las caracter�sticas de cada cultivo.

 

 

 

Referencias

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).