Implementación de sensores en los sistemas de riego automatizado Implementation of sensors in automated irrigation systems

Abstract

RESUMEN. En la actualidad, los sensores agrícolas y ambientales son ampliamente utilizados en diversos proyectos de investigación que se llevan a cabo en la Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD, especialmente en los proyectos de agricultura moderna que buscan fortalecer los procesos productivos de los pequeños y medianos agricultores. Son diversos parámetros que se pueden medir y controlar en un cultivo que, mediante una gestión adecuada, permiten realizar un uso eficiente del riego, fertilización y control de enfermedades, que se ve reflejado en un aumento de la productividad y calidad de los cultivos con menores costos de producción por el uso eficiente de los insumos agrícolas y reducción de costos de mano de obra en los sistemas automatizados. La adopción de tecnología en el sector agrícola colombiano no es tarea fácil, el desconocimiento y el costo de los mismos hace que sea un beneficio que habitualmente solo grandes productores pueden implementar en sus procesos productivos. Con una población mundial creciente, se hace indispensable que los pequeños y medianos agricultores se adapten a las nuevas tendencias tecnológicas que les permita suplir la demanda de alimentos cada vez más creciente, haciendo un uso racional de los recursos naturales y contribuyendo a reducir los impactos negativos en el cambio climático derivado de las malas prácticas agrícolas.

Full text

Implementación de sensores en los sistemas de riego
automatizado
Implementation of sensors in automated irrigation systems
Yenier Valencia Villegas
Ingeniero en mecatrónica, Esp. Educación Superior a Distancia
Universidad Nacional Abierta y a Distancia
yenier.valencia@unad.edu.co
Yulian Sepúlveda Casadiego
Ingeniero de Sistemas, Magister de Profundización en Educación con
Enfasis en Educación Virtual
Universidad Nacional Abierta y a Distancia
yulian.casadiego@unad.edu.co
RESUMEN.
En la actualidad, los sensores agrícolas y ambientales son ampliamente
utilizados en diversos proyectos de investigación que se llevan a cabo en
la Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD, especialmente en los
proyectos de agricultura moderna que buscan fortalecer los procesos
productivos de los pequeños y medianos agricultores. Son diversos
parámetros que se pueden medir y controlar en un cultivo que, mediante
una gestión adecuada, permiten realizar un uso eficiente del riego,
fertilización y control de enfermedades, que se ve reflejado en un
aumento de la productividad y calidad de los cultivos con menores costos
de producción por el uso eficiente de los insumos agrícolas y reducción de
costos de mano de obra en los sistemas automatizados. La adopción de
tecnología en el sector agrícola colombiano no es tarea fácil, el
desconocimiento y el costo de los mismos hace que sea un beneficio que
habitualmente solo grandes productores pueden implementar en sus
procesos productivos. Con una población mundial creciente, se hace
indispensable que los pequeños y medianos agricultores se adapten a las
nuevas tendencias tecnológicas que les permita suplir la demanda de
alimentos cada vez más creciente, haciendo un uso racional de los
recursos naturales y contribuyendo a reducir los impactos negativos en el
cambio climático derivado de las malas prácticas agrícolas.

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Figura 1. Módulos de sensores en sistema de riego automatizado
Palabras Clave: Sensores agrícolas; sistemas de riego; calidad de
cultivos.
ABSTRACT.
At present, agricultural and environmental sensors are widely used in
various research projects carried out at the Universidad Nacional Abierta
y a Distancia UNAD, especially in modern agriculture projects that seek
to strengthen the productive processes of small and medium farmers.
There are various parameters that can be measured and controlled in a
crop that, through proper management, allows efficient use of irrigation,
fertilization and disease control, which is reflected in an increase in the
productivity and quality of crops with lower production costs for the
efficient use of agricultural inputs and reduction of labor costs in
automated systems. The adoption of technology in the Colombian
agricultural sector is not an easy task, ignorance and the cost of them
makes it a benefit that only large producers can usually implement in their
production processes. With a growing world population, it is essential that
small and medium farmers adapt to new technological trends that allow
them to meet the growing demand for food, making rational use of natural
resources and contributing to reduce the negative impacts on climate
change derived from bad agricultural practices.
Keywords: Agricultural sensors; irrigation systems; crop quality

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INTRODUCCIÓN.
“Entre las grandes tendencias de consumo en el mundo, el mercado
agrícola presenta nuevas oportunidades de negocios alrededor de bioin-
sumos, agricultura sostenible, bioremediación de suelos y aguas,
reproducción in vitro, semillas mejoradas con biotecnologías de punta”
(Montenegro Gómez & Hernández Ossa, 2015, p.100). Oportunidades que
surgen del reto permanente que enfrenta el sector agrícola por la
creciente demanda de la población mundial, que durante mucho tiempo
ha intentado suplir aumentando las áreas cultivadas; sin embargo, la
agricultura moderna permite aumentar el rendimiento de los cultivos, con
la implantación del concepto de la agricultura de presión, como conjunto
de técnicas orientadas a la optimización de las labores agrícolas
tradicionalmente realizadas.
A raíz del incremento de los períodos secos producidos por el cambio
climático en diferentes países del mundo, se debe implementar una nueva
visión en la gestión del agua en la agricultura, implantado políticas
públicas que permitan cuidar el recurso hídrico como fuente fundamental
de vida, y es que “las problemáticas asociadas al recurso hídrico en el
sector agropecuario están relacionadas con su manejo y las condiciones
técnicas del cultivo, las cuales van a mitigar o a favorecer los impactos
negativos” (Corredor Camargo, Fonseca Carreño, & Páez Barón, 2015,
p.80). Es en estos aspectos donde las tecnologías pueden tener un
impacto positivo haciendo un uso adecuado de los recursos naturales
como el agua; a través de sensores de humedad en el suelo, que permiten
monitorear en tiempo real las necesidades de la planta y a su vez
suministrar lo que la planta requiere en el momento justo. Otro tipo de
sensor ampliamente utilizado es el sensor de Conductividad eléctrica
(CE), que determina las necesidades nutricionales de la planta y a través
de sistemas automatizados entregar la cantidad exacta de fertilizante que
la planta requiere, evitando filtraciones de fertilizantes a las fuentes
hídricas remediando su contaminación.
En este sentido, la implantación de estas tecnologías no solo permite
monitorizar los parámetros del cultivo, además permite predecir y
optimizar la gestión del cultivo en tiempo real; a través de los
controladores de riego que reciben la información de los sensores
instalados en todo el cultivo, que son los encargados de capturar la
información de los parámetros que tienen incidencia sobre la planta como
lo son la temperatura y humedad relativa del aire, temperatura del suelo,
tensión del suelo, contenido volumétrico de agua (VWC), CE, alcalinidad

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o acidez de una solución (pH), oxígeno disuelto, entre otros. La
transferencia de la información de los sensores hacia el controlador se
puede realizar vía comunicación inalámbrica (Radio frecuencia) o vía
cableada (Voltaje). Sin embargo, “Los bajos niveles de escolaridad de
campesinos hacen que haya desconocimiento de propuestas técnicas en
la agricultura; además de la escasez de información y conocimientos
sobre experiencias en condiciones específicas” (Mendoza Velásquez, Cano
Muñoz, & Rojas Sánchez, 2015, p.271).
En el Eje cafetero, la UNAD a través de su Centro de Investigación de
Agricultura y Biotecnología (CIAB) y con el apoyo Tecnoparque Nodo
Pereira del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA), han desarrollado e
implantado tecnologías a bajo costo para el sector agrícola, que
actualmente permiten que agricultores de la zona cuenten con estas
tecnologías que les permita incrementar la rentabilidad de sus predios.
DESARROLLO DEL TEMA
Riego por goteo
Uno de los sistemas de riego más utilizado por su eficiencia y ahorro del
agua es el riego por goteo localizado, una tecnología útil que conduce
agua mediante una red de tuberías y es suministrada a la planta a través
de emisores localizados en la zona radicular de la planta (Figura 2),
“desde el punto de vista agronómico, se denominan riegos localizados
porque humedecen un sector de volumen de suelo, suficiente para un
buen desarrollo del cultivo” (Liotta, Carrión, Ciancaglini, & Olguín, 2015,
p.5). Para la implantación de un sistema de riego por goteo localizado
automatizado, se requieren una serie de componentes básicos para su
óptima operación; como primer elemento se debe contar con una fuente
de abastecimiento de agua apta para el cultivo, el sistema hidráulico está
compuesto por un equipo de bombeo, sistema de filtración, unidad de
fertilización, tubería de conducción y emisores. Para la automatización del
sistema se requieren los instrumentos de control (Motobomba,
electroválvulas e inyectores de fertilizante) y medición (VWC, pH, CE,
temperatura, entre otros) que son administrados por un equipo
electrónico.

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Figura 2. Esquema de sistema de riego por goteo. Fuente: Hidro Norte
El suministro de nutrientes para el cultivo en sus diferentes etapas de
crecimiento se realiza mediante un sistema de fertirrigación, encargado
de enviar los nutrientes a través del riego por goteo. “Para realizar la
dosificación de fertilizantes se implementa un inyector de fertilizantes tipo
Venturi, una pieza en forma de T con un estrechamiento que acelera la
velocidad del agua provocando una depresión que succiona la solución
fertilizante, inyectándola a la tubería” (Liotta, Carrión, Ciancaglini, &
Olguín, 2015, p.15). La instalación del inyector Venturi se realiza en el en
paralelo a la electroválvula principal de riego (Figura 3), de esta manera
se puede realizar el control determinado por las necesidades del cultivo,
realizando la aplicación del agua con o sin inyección de fertilizante.
Figura 3. Esquema sistema hidráulico para el control del riego y fertilización

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Automatización del riego por goteo
La automatización del sistema de riego se realiza mediante un prototipo
desarrollado en la UNAD denominado “ProFertin”, un sistema inteligente
que mediante sus algoritmos de control permite suministrar las
cantidades de agua y fertilizante que la planta requiere de manera
automática. ProFertin tiene una capacidad para la conexión de 12 sectores
de riego, los cuales se pueden programar individualmente a través de los
parámetros de configuración (Tabla 1), ajustando dichos parámetros a las
necesidades de cada cultivo o sector de riego. Los 20 sensores soportados
por el controlador, permite monitorear varias variables que tienen
incidencia sobre las plantas, dentro de los sensores más destacados que
soporta el dispositivo tenemos: temperatura y RH% del aire, temperatura
del suelo, VWC, CE y tensión del suelo. La transferencia de los datos del
cultivo hasta el dispositivo ProFertin se realiza mediante comunicación
inalámbrica o cableada y la configuración de los parámetros del
controlador se realiza mediante una pantalla táctil a color de 7” in situ o
a través de una aplicación móvil desde cualquier parte del mundo con una
conexión a internet.
Tabla 1. Parámetros de configuración del controlador
Nombre
Rango
Propósito
Hora de encendido
Hora de apagado
Tiempo de activación
Tiempo de no activación
Valor mínimo asociado a la salida
Valor máximo asociado a la salida
Selección sensor asociado a la salida
Fertirrigación
Selección sensor de pH
00:00 - 23:59
00:00 - 23:59
> 0 (minuto o segundo)
> 0 (minuto o segundo)
> 0 & < 99999
> 0 & < 99999
1 - 20
ON – OFF
1 - 20
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego y General
Fertirriego
Fertirriego

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Selección sensor de CE
Motobomba
Control pH
Control CE
Control Humedad
1 -20
ON – OFF
ON – OFF
ON - OFF
ON - OFF
Fertirriego
Fertirriego
Fertirriego
Fertirriego
Fertirriego
Fuente de consulta: Manual técnico del controlador
ProFertin ya ha sido validado de forma simultánea con el proyecto de investigación “Evaluación de
tres programas de fertilización edáfica en el cultivo de la cebolla de rama en la cuenca media del
Río Otún”, (Polanco Puerta & Gómez Posada, 2017). Donde ProFertin fue utilizado como una de
las metodologías de riego del diseño experimental de dicho proyecto.
Sensores
ProFertin recibe en tiempo real los datos de los sensores que toman
información del suelo cerca de la raíz de la planta (VWC, CE, pH,
temperatura) y del medio ambiente (temperatura y la humedad relativa
del aire), información que es recolectada y procesada para ejecutar las
acciones respectivas para realizar el control de cada uno de los
parámetros que tienen incidencia en el desarrollo del cultivo. En el
mercado existen muchos tipos de sensores que se utilizan en el sector
agrícola, incluso cuando necesitamos controlar la humedad del suelo,
encontramos diferentes tipos de sensores (Resistivos, Capacitivos,
Tensiómetros) que hace que la elección del sensor sea un aspecto técnico
importante a la hora de realizar la adquisición de los instrumentos de
medida.
A continuación, se hace un análisis de los sensores utilizados en el
proyecto de investigación “Desarrollo de un sistema controlado de
fertirrigación y control ambiental” del CIAB.
Sensor de conductividad eléctrica: Este tipo de sensores mide la
capacidad para conducir una corriente eléctrica a determinada
temperatura y su valor se obtiene aplicando un voltaje entre dos
electrodos y midiendo la resistencia de la solución, a mayor nivel de sales
presentes en el suelo o en una solución, mayor es el valor de la

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conductividad, su valor se mide en deciSiemens / metro (dS/m) o
milimhos / centímetro (mmho/cm) siendo:


 (1)
Este sensor es ampliamente utilizado para el control de niveles bajos o
altos de fertilizante, ya que “la salinidad es un fenómeno indeseable que
afecta el crecimiento de las plantas de varias maneras y por lo mismo,
un aumento en la CE traerá como consecuencia una disminución de
rendimiento” (Rebolledo, 2017, p.20).
Sensor de VWC: La medición de la humedad en el suelo se puede
realizar de manera directa o indirecta, al ser implementado en sistemas
de control automatizados en tiempo real, se hace necesario realizar una
medición indirecta, puesto que para una medición directa es necesario
tomar una muestra de suelo. Éste se obtiene al multiplicar la densidad
aparente del suelo por el contenido gravimétrico de agua:
  
 (2)
  
 (3)
  
   (4)
El sensor 5TE es un sensor multi parámetro que mide la temperatura, la
CE y el VWC del suelo, todo en un mismo dispositivo (Figura 4). El
dispositivo incorpora un termistor (Sensor de temperatura por
resistencia) proporcionando la temperatura del suelo; los tornillos
expuestos en el sensor forman una matriz eléctrica de 2 sensores para
medir la conductividad eléctrica.

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Figura 4. Componentes del Sensor de Conductividad Eléctrica (CE), Temperatura y
Contenido Volumétrico de Agua (VWC)
El sensor calcula la Permisividad dieléctrica (εa) en un rango de 1 en
aire a 80 en agua (tabla 2), existen numerosas ecuaciones de
transferencia que permiten determinar el valor de VWC a partir de
medidas de εa. La calibración del sensor para suelos minerales se realiza
mediante la siguiente ecuación:
    
   
      (5)
Tabla 2. Especificaciones técnicas del sensor 5TE
Fuente de consulta: Manual técnico del sensor
Protocolos de comunicación
Para la instalación de los sensores en campo el prototipo ProFertin soporta
dos métodos de comunicación que permiten adaptarse fácilmente a las
condiciones topográficas y específicas de cada cultivo. El estándar de
comunicación industrial RS485 es el primer método soportado por el
Parámetro
Rango
Resolución
Precisión
Temperatura
−40 to 60 ◦C
0.1 ◦C
±1 ◦C
CE
0 to 23 dS/m
(bulk)
0.01 dS/m para 0 to 7
dS/m, 0.05 dS/m para 7 to
23 dS/m
±10% para 0 to 7 dS/m,
requiere calibración para
valores >7 dS/m.
VWC
Permisividad
dieléctrica
aparente (εa): 1
(aire) a 80 (agua)
Resolución: εa : 0.1 εa
(sin unidad) de 1 a 20,
<0.75 εa (sin unidad) de
20 a 80 VWC: 0.0008 m3 /
m3 (0.08% VWC) de 0 a
50% VWC
Usando la ecuación de
Topp: ± 0.03 m3 / m3 (±
3% VWC) típico En suelos
minerales que tienen
solución conductividad
eléctrica. <10 dS / m

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controlador, este es una comunicación cableada que puede transmitir
datos a altas velocidades y a largas distancias (10 Mbit/s hasta 12 metros
y 100 kbit/s en 1200 metros) y permite la comunicación de múltiples
sensores a través de un mismo cable par trenzado (Figura 5). “El estándar
industrial RS485 o también conocido como EIA-485 es un estándar de
capa física según el modelo OSI. Es decir, no pone normas ni restricciones
sobre el contenido, forma, o codificación de los mensajes enviados”
(Naylampmechatronics, 2015, p.1). Este es el método más accesible para
los pequeños y medianos agricultores debido al bajo costo de su
implementación en áreas no muy extensas de cultivo.
Figura 5. a) Red de comunicación cableada, b) Red de comunicación inalámbrica
La comunicación inalámbrica es otro método utilizado para enviar la
información de los sensores instalados en campo hasta ProFertin. Los
sensores que implementan esta comunicación pueden tener un alcance
de hasta 9.6 km con antena dipolo y un alcance de hasta 24 km con
antena de alta ganancia en condiciones ideales, sin necesidad de contratar
un proveedor de servicio de internet. Un valor agregado de estos módulos
de sensores inalámbricos, es la implementación de energía solar como
fuente de alimentación, con una autonomía de funcionamiento de 1
semana sin recibir carga solar gracias a los algoritmos utilizados para
minimizar el consumo de energía de los dispositivos electrónicos y de
comunicación.

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Figura 6. Comportamiento de la humedad en el suelo de un sistema automatizado
En la figura 5, se observa el comportamiento de la humedad en el suelo
durante tres días con un comportamiento diferente de temperatura
(Gráfica color azul); en los días de mayor temperatura se registra un
incremento de las aplicaciones de agua, cada pico en el comportamiento
de la humedad (Gráfica color azul) es el indicador de aplicación de agua
realizada por el sistema automatizado.
CONCLUSIONES.
Las nuevas tecnologías aplicadas en el sector agrícola permiten realizar
un uso más eficiente de agua e insumos agrícolas, logrando un ahorro
significativo de agua con respecto al método tradicional utilizado por el
agricultor; un ahorro en el consumo de agua que se ve reflejado en la
productividad del cultivo y contribuye a mitigar los efectos negativos
producidos por el cambio climático. La transferencia de tecnologías del
sector agrícola para los pequeños y medianos agricultores, contribuye a
minimizar la brecha tecnológica que existe entre los grandes productores
y los campesinos colombianos; la implementación de estas tecnologías
permite que los productores tengan mayor rentabilidad de sus predios,
por el incremento en la productividad, ahorro energético, menor consumo
de agua y fertilizantes, y reducción en los costos de mano de obra
derivada del manejo del sistema de riego tradicional.
BIBLIOGRAFÍA.
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