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Desarrollo y despliegue de sensores IOT en campos agr�colas para el monitoreo continuo de variables ambientales

 

Development and deployment of IoT sensors in agricultural fields for continuous monitoring of environmental variables

 

Desenvolvimento e implementa��o de sensores IoT em campos agr�colas para monitoriza��o cont�nua de vari�veis ​​ambientais

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: mike.machuca@uleam.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 26 de febrero de 2025 *Aceptado: 24 de marzo de 2025 * Publicado: �23 de abril de 2025

 

       I.          Universidad Laica Eloy Alfaro de Manab�, Ecuador.

     II.          Universidad Laica Eloy Alfaro de Manab�, Ecuador.

   III.          Universidad Laica Eloy Alfaro de Manab�, Ecuador.

 

Resumen

El objetivo de este ensayo es presentar� un an�lisis profundo sobre las tendencias y avances en el desarrollo de sensores IoT para la agricultura, analizando su impacto en la agricultura de precisi�n y la gesti�n sostenible de los recursos. En tal sentido se ha encontrado que el uso de sensores IoT en la agricultura presenta numerosas oportunidades para mejorar la eficiencia y sostenibilidad de las pr�cticas agr�colas. Sin embargo, su �xito depende de abordar los desaf�os asociados con la implementaci�n, el costo, la capacitaci�n y la infraestructura tecnol�gica. Estos desaf�os deben ser superados para maximizar el potencial de las soluciones IoT en la agricultura y facilitar un monitoreo ambiental m�s eficiente y preciso. Es esencial garantizar que los datos recopilados est�n protegidos y que los sistemas sean confiables.

Palabras Clave: sensores lot,; agricultura; monitoreo� ambiental.

 

Abstract

The objective of this essay is to present an in-depth analysis of the trends and advances in the development of IoT sensors for agriculture, analyzing their impact on precision agriculture and sustainable resource management. In this regard, it has been found that the use of IoT sensors in agriculture presents numerous opportunities to improve the efficiency and sustainability of agricultural practices. However, their success depends on addressing challenges associated with implementation, cost, training, and technological infrastructure. These challenges must be overcome to maximize the potential of IoT solutions in agriculture and facilitate more efficient and accurate environmental monitoring. It is essential to ensure that the collected data is protected and that the systems are reliable.

Keywords: lot sensors; agriculture; environmental monitoring.

 

Resumo

O objetivo deste ensaio � apresentar uma an�lise aprofundada das tend�ncias e avan�os no desenvolvimento de sensores IoT para a agricultura, analisando o seu impacto na agricultura de precis�o e na gest�o sustent�vel dos recursos. Neste sentido, verificou-se que a utiliza��o de sensores IoT na agricultura apresenta in�meras oportunidades para melhorar a efici�ncia e a sustentabilidade das pr�ticas agr�colas. No entanto, o seu sucesso depende do enfrentar de desafios associados � implementa��o, custo, forma��o e infraestrutura tecnol�gica. Estes desafios devem ser ultrapassados ​​para maximizar o potencial das solu��es IoT na agricultura e facilitar uma monitoriza��o ambiental mais eficiente e precisa. � essencial garantir que os dados recolhidos s�o protegidos e que os sistemas s�o fi�veis.

Palavras-chave: sensores de lote; agricultura; monitoriza��o ambiental.

 

Introducci�n

El Internet de las Cosas (IoT) simboliza una tecnolog�a transformadora que ha proporcionado �numerosas ventajas tanto a la sociedad como a las organizaciones en los �ltimos a�os. Uno de los aspectos m�s destacados de esta tecnolog�a es su capacidad para proporcionar la producci�n y el consumo de servicios en menor tiempo . Las aplicaciones del IoT comprenden m�ltiples sectores, incluyendo el tr�fico, la atenci�n m�dica, la seguridad, los hogares y ciudades inteligentes, as� como la agricultura (Monta�o, Brice�o, Jim�nez, & Gonz�lez, 2021) (Singh, Cho, & Ra, 2020) En el �mbito agr�cola, el IoT se realiza en numerosas �reas y niveles de la fabricaci�n industrial, lo que facilita �un monitoreo efectivo y la automatizaci�n de procesos (. Medela, Gonz�lez, Crespo, & Nevares, 2013,)Este enfoque se traduce en la creaci�n de cultivos e invernaderos que pueden ser controlados con alta precisi�n (Farooq, Riaz, Abid, & Umer, 2020.). La agricultura de precisi�n, en particular, busca ofrecer un sistema que respalde la toma de decisiones, permitiendo a los agricultores adoptar pr�cticas m�s eficientes. Esto no solo contribuye a aumentar la rentabilidad, sino que tambi�n ayuda a mitigar los riesgos ambientales y a conservar los recursos naturales�(Garc�a, Parra, Jimenez, & Lloret, , 2020.). En este contexto, el desarrollo y despliegue de sensores IoT en campos agr�colas se convierte en una instrumento clave para el monitoreo continuo de variables ambientales, perfeccionando as� la gesti�n agr�cola y promoviendo un uso sostenible de los recursos.

Las soluciones de monitoreo en el �mbito agr�cola se implementan mediante el uso de sensores y dispositivos dise�ados para asistir a los agricultores en la recopilaci�n de datos cr�ticos que impactan efectivamente en el crecimiento y la producci�n de los cultivos�(Chen, Hu, & Wang, 2014). Varias iniciativas que utilizan la tecnolog�a IoT permiten el an�lisis y procesamiento de datos de manera remota a trav�s de servicios en la nube �facilitando as� la toma de decisiones para agricultores. Un ejemplo pr�ctico de gesti�n IoT �es donde se monitorean variables como el viento, las condiciones del suelo, la atm�sfera y el agua en extensas �reas agr�colas. Estas soluciones se clasifican seg�n diferentes� elementos �de monitoreo, que incluyen el an�lisis del suelo, la calidad del aire, la temperatura, el agua, la detecci�n de enfermedades, la ubicaci�n, las condiciones ambientales, las plagas y la fertilizaci�n.�(Giorgetti, y otros, 2016)

Adem�s, se enfatiza c�mo el paradigma IoT potencia la interacci�n entre los seres humanos y el entorno f�sico mediante el uso de dispositivos electr�nicos, protocolos de comunicaci�n de bajo costo y tecnolog�as de comunicaci�n innovadoras. Un ejemplo notable es la tecnolog�a de comunicaci�n inal�mbrica Sigfox, que se clasifica como una red de �rea amplia de baja potencia (LPWAN). Esta tecnolog�a se caracteriza por su amplio alcance, transmisi�n de datos segura y bajo consumo energ�tico�(Zheng, Zhang, Liu, & Wang, 2016). Adem�s de lo anterior, utiliza espectro de radio sin licencia en las bandas industrial, cient�fica y m�dica (ISM), permitiendo la comunicaci�n bidireccional entre usuarios y sensores, ya sea de forma individual o grupal. Por lo tanto, Sigfox resulta ideal para aplicaciones IoT que requieren la transmisi�n de peque�os paquetes de datos con un consumo energ�tico m�nimo.�(Medela, Cend�n, Gonz�lez, Crespo, & Nevares, k 2013)

Un estudio relevante llevado a cabo por (Newell, Yao, Ryker, Ho, & Nita-Rotaru, 2015 ) presenta un sistema de monitoreo escalable basado en IoT que incluye capacidades predictivas para aplicaciones agr�colas. Este sistema se fundamenta en una arquitectura efectiva de cuatro capas y establece la conectividad necesaria entre los dispositivos, lo que refuerza la importancia del desarrollo y despliegue de sensores IoT en campos agr�colas para el monitoreo continuo de variables ambientales.

Se comprende entonces que en la �ltima d�cada, la agricultura ha experimentado una transformaci�n significativa impulsada por la adopci�n de tecnolog�as emergentes, entre las cuales destaca el Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en ingl�s). La implementaci�n de sensores IoT en campos agr�colas ha revolucionado la manera en que se monitorean y gestionan las variables ambientales, permitiendo un enfoque m�s preciso y eficiente en la producci�n agr�cola. Estos dispositivos, que recopilan datos en tiempo real sobre condiciones como la temperatura, humedad, calidad del suelo y otros factores cr�ticos, proporcionan a los agricultores informaci�n valiosa para la toma de decisiones �(Hern�ndez, Luna, & P�rez, 2022.).

En tal sentido, el desarrollo y despliegue de sensores IoT en entornos agr�colas no solo optimiza el uso de recursos, sino que tambi�n contribuye a la sostenibilidad y resiliencia de los sistemas agr�colas frente a los desaf�os clim�ticos y econ�micos actuales. Esto evidencia la capacidad de realizar un monitoreo continuo de las variables ambientales, permite adem�s detectar anomal�as de manera temprana y ajustar las pr�cticas agr�colas, lo que resulta en un aumento de la productividad y una reducci�n de desperdicios�(Yamini, 2024).

Este art�culo tiene como objetivo presentar �un an�lisis profundo sobre las tendencias y avances en el desarrollo de sensores IoT para la agricultura, analizando su impacto en la agricultura de precisi�n y la gesti�n sostenible de los recursos. Adem�s se discutir�n las tecnolog�as implicadas, los desaf�os en su ejecuci�n y las oportunidades que ofrecen para transformar la agricultura moderna, recalcando la importancia de la combinaci�n de estos sistemas en un contexto global �donde la demanda alimentaria y el cambio clim�tico representan un desaf�o constante (Eterovic, (2022)).

 

DESARROLLO

La expansi�n de Internet en las �ltimas dos d�cadas ha generado innumerables ventajas tanto para� las empresas como para las personas a nivel mundial. Uno de los principales aportes de esta innovaci�n digital ha sido la capacidad de ofrecer y acceder a servicios en tiempo� inmediato. En este contexto, el Internet de las Cosas (IoT) se presenta �como una tecnolog�a que promete responder �a estos beneficios a trav�s de sus innovadoras aplicaciones, facilitando una mejora en la percepci�n y capacidad de los usuarios al adaptar sus entornos de trabajo. Del mismo modo, la �IoT brinda soluciones� en m�ltiples sectores, incluyendo la salud, el comercio, la seguridad, los �hogares inteligentes, las ciudades inteligentes y, de manera significativa, la agricultura. (Monica, Yeshika, Abhishek, & Sanjay, 2017)

La adopci�n de tecnolog�as IoT en el �mbito agr�cola se considera especialmente valiosa debido a la necesidad de un monitoreo y control constantes en esta �rea. En el sector agr�cola, el IoT se implementa en diversas etapas de la cadena de producci�n, abarcando aplicaciones clave como la agricultura de precisi�n, la gesti�n ganadera y el cultivo en invernaderos, las cuales se organizan en distintos dominios de monitoreo. Estas aplicaciones dependen de una variedad de sensores y dispositivos IoT, que se conectan a trav�s de redes de sensores inal�mbricos (WSN), permitiendo a los agricultores recolectar datos relevantes mediante tecnolog�as de detecci�n (Perera, Liu, Jayawardena, & Chen, 2014).

Adem�s, algunas configuraciones IoT analizan y procesan informaci�n de manera remota a trav�s de servicios en la nube, lo que facilita a investigadores y agricultores la toma de decisiones m�s consientes. Con el continuo avance tecnol�gico, las soluciones para el monitoreo ambiental han evolucionado, ofreciendo herramientas adicionales para la gesti�n y la toma de decisiones. Un aspecto importante de este sistema es su capacidad para gestionar autom�ticamente fallas en los nodos y optimizar las conexiones de comunicaci�n de baja calidad dentro de la red (Lei, 2020).

Por otra parte, algunas investigaciones recientes han propuesto sistemas de gesti�n IoT que rastrean variables ambientales como el viento, el suelo, la atm�sfera y el agua en extensas �reas agr�colas. Asimismo, se han clasificado soluciones de monitoreo agr�cola basadas en IoT seg�n sus subdominios, que incluyen el monitoreo del suelo, aire, temperatura, agua, enfermedades, ubicaci�n, condiciones ambientales, plagas y fertilizaci�n. El paradigma IoT no solo optimiza la interacci�n humana con el entorno f�sico a trav�s de dispositivos electr�nicos y protocolos de comunicaci�n econ�micos, sino que tambi�n permite el monitoreo absoluto de diversas condiciones ambientales (Hassan, 2024) Esto facilita la creaci�n de mapas en tiempo real que reflejan niveles de ruido, calidad del aire, contaminaci�n del agua, temperatura y radiaciones nocivas. Los datos recolectados sobre los diferentes par�metros ambientales se transmiten a los usuarios a trav�s de alertas activadas o recomendaciones enviadas a las autoridades pertinentes. En resumen, el desarrollo y despliegue de sensores IoT en campos agr�colas representa una revoluci�n en el monitoreo continuo.

A pesar de los recientes avances en tecnolog�as de Internet de las Cosas (IoT), su integraci�n en el sector agr�cola enfrenta m�ltiples desaf�os que obstaculizan su adopci�n generalizada. Uno de los principales inconvenientes radica en la variabilidad de las condiciones clim�ticas dentro de invernaderos y campos de cultivo, la cual ejerce un impacto significativo en la productividad agr�cola. Para abordar este problema, es decisivo establecer m�ltiples puntos de medici�n en distintos sectores del campo, lo que permitir� obtener datos m�s precisos sobre el comportamiento de las variables ambientales (Puello, 2022).

La implementaci�n de tecnolog�as de Internet de las Cosas (IoT) en el �mbito agr�cola presenta una serie de retos que deben ser abordados para optimizar su efectividad. A continuaci�n, se analizan algunos de los problemas m�s cr�ticos identificados en la literatura.

Por una parte, los aspectos relativos a la seguridad (Wydler, 2020) �puesto que los agricultores �enfrentan a riesgos significativos, como la p�rdida de datos y otros datos� esenciales, resultado de vulnerabilidades en la seguridad. Estos riesgos se agravan por interferencias f�sicas, incluyendo ataques de fauna y alteraciones en la instalaci�n de los dispositivos. Por otra parte, la naturaleza de los dispositivos IoT, que operan con recursos limitados de energ�a y memoria, dificulta la implementaci�n de algoritmos de seguridad robustos.

Adem�s, los servicios de agricultura de precisi�n, que dependen de la localizaci�n habilitada por IoT, son susceptibles a ciberataques, lo que pone en riesgo la integridad de los datos y la operatividad de los sensores, como por ejemplo debilidades en la nube, ataques de secuestro, problemas en bases de datos y ataques de denegaci�n de servicio (DoS).

El segundo aspecto se refiere a los costos (Wydler, 2020) tanto en t�rminos de configuraci�n como de operaci�n. Los gastos iniciales incluyen la adquisici�n de hardware, como sensores y dispositivos de conectividad, as� como la infraestructura necesaria para su funcionamiento. Por otro lado, los costos operativos implican suscripciones continuas para la gesti�n de dispositivos y el intercambio de datos entre servicios.

El tercer aspecto se relaciona directamente con el conocimiento tecnol�gico (Wydler, 2020)entre los agricultores, especialmente en regiones rurales y en pa�ses en desarrollo, por lo cual la �capacitaci�n adecuada es esencial antes de la implementaci�n de tecnolog�as IoT, lo que requiere una inversi�n considerable en formaci�n

Otro aspecto relevante en la confiabilidad (Al-Fuqaha, Guizani, Mohammadi, Aledhari, & Ayyash, 2015) ya que est�n expuestos a condiciones ambientales variables que pueden afectar su desempe�o y provocar fallos en la comunicaci�n. Por lo tanto, es necesario garantizar la protecci�n f�sica de estos dispositivos frente a fen�menos clim�ticos adversos para asegurar su funcionalidad y confiabilidad [6].

Adem�s de lo anterior, otro desaf�o es la escalabilidad (Wydler, 2020) �debido a que este sistema demanda de gesti�n inteligente que permita la identificaci�n y control de cada nodo de manera efectiva. �La escalabilidad de las soluciones IoT por lo que es �vital para adaptarse al crecimiento y expansi�n de las operaciones agr�colas.

En este mismo orden de ideas est� la localizaci�n (Wydler, 2020)ya que la ubicaci�n estrat�gica de los dispositivos es fundamental para asegurar su operatividad, ya que deben ser capaces de comunicarse eficazmente y proporcionar datos sin interferencias, lo que implica seleccionar cuidadosamente los puntos de instalaci�n

Otro desaf�o es la �Interoperabilidad (Wydler, 2020) ya que involucra la interacci�n de miles de millones de dispositivos que utilizan distintos protocolos y est�ndares. Esta interacci�n abarca aspectos sem�nticos, sint�cticos, t�cnicos y organizacionales, y es vital para facilitar la comunicaci�n y el intercambio de datos entre diferentes sistemas . Como alternativa se encuentra� la adopci�n de est�ndares abiertos y colaboraciones entre desarrolladores.

Por �ltimo la� Integraci�n de IoT y computaci�n en la nube (Al-Fuqaha, Guizani, Mohammadi, Aledhari, & Ayyash, 2015) es un desafio al buscar integrar y analizar datos del mundo real a trav�s de dispositivos IoT distribuidos. Sin embargo, los agricultores enfrentan limitaciones relacionadas con la conectividad a Internet y la eficiencia de los dispositivos de comunicaci�n, lo que complica el intercambio de datos y el monitoreo continuo.

 

CONCLUSIONES

El desarrollo y despliegue de sensores IoT (Internet de las Cosas) en campos agr�colas para el monitoreo continuo de variables ambientales ha generado un impacto significativo en la agricultura moderna

Se ha encontrado que : los sensores IoT permiten la� optimizaci�n de recursos debido a que permiten un uso m�s eficiente de recursos como el agua, fertilizantes y pesticidas. Al proporcionar datos en tiempo real sobre la humedad del suelo, la temperatura y otras variables, los agricultores pueden tomar decisiones sobre el riego y la aplicaci�n de insumos.

Un segundo aspecto es la mejora en la toma de decisiones, y el� �aumento de la productividad �debido a la recopilaci�n de datos continuos y su an�lisis permite �la toma de decisiones basadas en evidencia., por lo que esto favorece anticipar problemas, como plagas o enfermedades, y actuar r�pidamente para mitigarlos, pueden adem�s optimizar el crecimiento de los cultivos lo que conduce a un aumento en la productividad y la calidad de la cosecha.

La implementaci�n de tecnolog�as IoT en la agricultura contribuye a pr�cticas m�s sostenibles, al minimizar el desperdicio de recursos y reduce el impacto ambiental al permitir una agricultura de precisi�n. Adem�s �debido a que se exige �la conectividad a Internet y la accesibilidad a tecnolog�as de IoT , en muchas �reas rurales, la falta de infraestructura puede ser un obst�culo para la implementaci�n efectiva de estas tecnolog�as.

Por �ltimo se hace necesario la capacitaci�n y educaci�n para los agricultores que les lleve a saber c�mo utilizar estos dispositivos y entender los datos generados, manejar la ciberseguridad y la protecci�n de datos, los cuales son preocupaciones importantes al implementar tecnolog�as IoT

 

 

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� 2025 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)

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