Elección del predio

El lugar de estudio se llevó a cabo en el corregimiento San Cristóbal, de la ciudad de Medellín, considerado sitio de paso y de reposo entre Santa Fe de Antioquia, Medellín y Río Negro. El corregimiento se encuentra localizado en la vertiente norte de la cuenca de la Quebrada La Iguana, su principal cuenca hidrográfica, la cual tiene una extensión de 49,5 km2 y sus terrenos son de alta pendiente, los cuales están divididos en 18 veredas. Además, cuenta con suelos fértiles y condiciones climáticas propicias para la actividad agrícola, la cual es la principal actividad económica del corregimiento y que cuenta con una alta producción en frutas y hortalizas, también destacándose notoriamente en la floricultura, con productos que, en parte, van destinados al comercio local y otra parte al comercio en la ciudad de Medellín. Por último, la actividad pecuaria y avícola que se desarrolla en el corregimiento es, en la mayoría de los casos, para el autoconsumo (^{Alcaldía de Medellín, 2015}).

En el año 2019 se llevó a cabo un proyecto por parte de la Alcaldía de Medellín, en el marco del Plan Agropecuario Municipal (PAM), el cual asignó 40 invernaderos de 300 m² cada uno a pequeños productores pertenecientes al corregimiento de San Cristóbal (^{Rodríguez et al., 2016}).

Con el proyecto “Plataforma IoT de bajo costo utilizando tecnologías 4.0 para agricultura inteligente”, se pretenden aprovechar las herramientas que se tienen a la mano para proporcionar a los productores y a los asistentes técnicos acceso a la información de manera remota y ágil. Así, se seleccionaron dos productores de la región para llevar a cabo el proyecto piloto.

Para seleccionar los predios se tuvieron en cuenta diversos factores y variables y, finalmente, se utilizaron los invernaderos proporcionados anteriormente por el proyecto que se realizó en el marco del Plan de Desarrollo Municipal. Uno de los primeros puntos evaluados para la selección del predio fue la disposición del agricultor a la innovación, ya que la implementación de nuevas tecnologías normalmente genera resistencia por parte de algunos productores (^{Andrade et al., 2017}). Otro punto que se tuvo en cuenta fue su trayectoria como productores constantes y por el buen uso y mantenimiento que realizan a sus invernaderos; también se tuvo en cuenta la ubicación de la zona para una correcta proyección de la señal, es decir, que no existiera mucha interferencia (edificaciones, zonas densamente pobladas) (^{Ji et al., 2019}) y que tuviera una vista directa hacia la puerta de enlace (gateway). Las figuras 3 muestran los invernaderos de las fincas seleccionadas.

Fuente: Elaboración propia

Figuras 3 Predios seleccionados: 3a. Finca 1 invernadero de tomates y 3b. Finca 2 con invernadero de cebolla y cilantro 

Al momento de la instalación en los predios seleccionados, los nodos se ubicaron de manera estratégica en el centro del invernadero (figuras 4) a una altura por encima de las mangueras de riego por microaspersión, esto con el fin de evitar daños en los dispositivos instalados, al tener menor interacción directa con la humedad. Además, este punto estratégico en el centro del invernadero proporciona mayor fiabilidad sin que se vean afectados los instrumentos por factores externos como estructuras que proporcionan sombra a un costado del invernadero a cierta hora del día, lo cual modifica los valores en temperatura y en luminosidad, también a la lluvia o las corrientes de viento espontáneas que suelen bajar la temperatura en el perímetro del invernadero, por efecto de la termodinámica, entre otros factores. Finalmente, los nodos fueron instalados en dos invernaderos de 300 m²: el primero está ubicado aproximadamente a 2300 m s.n.m. y tiene una pendiente aproximada del 30 %, con cultivos de hortalizas de cebolla verde (Allium fistulosum L.) y cilantro (Coriandrum sativum) y el segundo invernadero está ubicado a casi 2320 m s.n.m. y tiene una pendiente aproximada del 0 % con cultivo de tomates (Solanum lycopersicum).

Fuente: Elaboración propia

Figuras 4 Ubicación de los nodos dentro del invernadero: 4a. Nodo dentro del invernadero de la finca 1 y 4b. Nodo dentro del invernadero de la finca 2 

Una vez ubicados los nodos y probada la transmisión correcta de los datos, se realizó un seguimiento continuo los días siguientes con ayuda de los agricultores para corroborar el éxito de la instalación. Para la implementación del IoT, primero se diseñó e implementó la capa de percepción o nodos, estos son la base de la primera fase del proyecto y son los dispositivos que componen la capa física para medir las variables de los cultivos. La elección de los elementos que conforman los nodos se hizo con referencia a la arquitectura de ^{Codeluppi et al. (2020)}, puesto que utilizan dispositivos de bajo consumo energético, pero con gran robustez y bajo costo.

Capa física o de percepción

Cada nodo se encuentra compuesto por un sistema de unidad de procesamiento, un sistema de alimentación, unos sensores y su caja de aislamiento o protección ambiental. Los elementos de cada nodo pueden verse en la tabla 2, en la sección de costos del proyecto.

Tabla 2 Elementos de un nodo e inversión inicial 

^{Nota aclaratoria: *}sensores que se encuentran en etapa de pruebas.

Fuente: Elaboración propia

Unidad de procesamiento: consta del microcontrolador, la tarjeta expansora y la antena para la comunicación inalámbrica. Se utiliza una placa de desarrollo LoPy4 que ofrece una conexión con LoRa, Sigfox, Wifi y bluetooth. La integración de estas cuatro opciones en una sola tarjeta representa una gran ventaja, debido a que no se requieren accesorios adicionales para la comunicación inalámbrica, como es el caso de las tarjetas Raspberry y Arduino. Otro criterio relevante al seleccionar la tarjeta LoPy4 es su ultra bajo consumo de energía (Menor de 400 mA) y, adicionalmente, cuenta con gran adaptabilidad a placas estándares expansoras. Además, se usa una tarjeta de expansión Pysense, que es indispensable para la configuración del dispositivo e incorpora cinco sensores (de luz ambiental, presión barométrica, humedad, temperatura y giroscopio), esta solo se utilizó en una fase de pruebas debido a que no permite tener puertos disponibles suficientes para ubicar otros sensores.

También se utiliza la antena para LoRaWAN con conector IPEX a SMA de 915 MHz, según el estándar estadounidense, ya que con el uso de la tecnología inalámbrica LoRaWAN, su factor de expansión configurado en 7 (spreading factor, SF = 7) permite alcanzar una distancia de hasta 5 kilómetros (la más baja) con el menor consumo energético y la mayor velocidad que permite el protocolo y como puerta de enlace multicanal se utiliza un Dragino DLOS8 compatible con el protocolo LoRaWAN. Este dispositivo conecta la red inalámbrica de LoRa a una red IP a través de Wifi, ethernet o celular, con el fin de recibir las tramas de datos desde una gran cantidad de nodos. De esta manera, se cuenta con la facilidad de integrar muchos más nodos al sistema de agricultura inteligente (^{Dragino, 2020a}, ^2020b).

Sistema de alimentación: consta de una batería tipo LiPo (litio-polímero) con un voltaje de salida 3,7 V a 780 mAh, un panel solar monocristalino de 2 W y un cargador solar Li-Po. Otra ventaja del microcontrolador elegido es que puede llevarse a un estado de “sueño profundo” o descanso mientras no se requiera envío de datos, lo que reduce significativamente el consumo energético. Así que para estimar el consumo total que requiere el sistema, basado en la ficha técnica del dispositivo, de los sensores y con un envío de datos cada 20 minutos (1200 segundos), de los cuales toma solo 10 segundos para el envío de datos, se estima un consumo inicial de 22,2 mAh, lo que supone una autonomía en la batería de 1,5 días aproximadamente; sin embargo, se debe contrastar este consumo con la medición real, que en muchos casos puede ser mucho menor dependiendo del factor de expansión configurado y la desactivación de otras funciones que no son requeridas por el microcontrolador para la aplicación.

Sensores: el sistema de sensores tiene como objetivo recopilar los parámetros del entorno, se tienen en cuenta las mediciones de humedad relativa (%), temperatura (°C), luz visible (lux), luz infrarroja (lux) y luz ultravioleta (índice UV). Además, como criterios de selección básicos se requieren sensores de bajo consumo energético de bajo costo y que puedan adaptarse al entorno, con base en esto se utiliza un sensor de humedad y temperatura industrial SHT10, ya que es resistente al entorno y tiene mediciones muy precisas, tanto en suelo como en aire, y se utiliza también un sensor de luz solar Si1145 para detectar los rayos UV, luz visible y luz infrarroja, el cual tiene un buen rendimiento bajo un amplio rango dinámico y soporta la luz solar directa, aunque requiere de protección ambiental externa.

Protección ambiental: para estos nodos se requiere de cajas de protección Ip65 y prensas estopa que aíslen la parte interior, para garantizar una resistencia contra el agua, el polvo y otros factores ambientales que puedan ocasionar un daño a los equipos.

Capa de enlace

Como se mencionó anteriormente, para la capa de enlace contamos con el protocolo LoRaWAN para la trasmisión de datos, ya que con la implementación del protocolo OTAA (Over the Air Authentication), la LoPy4 envía una solicitud para conectarse al gateway, el cual utiliza las claves provistas por la aplicación de TTN (The thinks Network) y una vez se reciba la confirmación de unión a la puerta de enlace se comienzan a enviar los datos de los sensores. La puerta de enlace se puede ubicar a una distancia de hasta 15 km en un campo abierto y puede soportar más de 100 nodos. La trama de 128 bites de datos que puede recibir el servidor es enviada con un ancho de banda de 125 kHz a 5,5 kbits/s. Esta trama cifrada de inicio a fin es enviada y puede ser decodificada en la plataforma web.

Capa de aplicación

Una vez los datos llegan a la puerta de enlace, este usa una red Wifi para enviarlos a un servidor y a la plataforma, donde son decodificados con ayuda de código. La plataforma de acceso gratuito que se integra de forma transparente al proceso es TTN versión 3, cuya última versión de consola es The Thing Stack (TTS), este servidor de IoT es de código abierto y permite programar la puerta de enlace y las aplicaciones donde se pueden registrar diversos nodos. Básicamente, se conectan los datos derivados de estos a internet a través del servidor disponible para uso libre (eu1.cloud.thethings.network). El gateway, como dispositivo multicanal, permite la transmisión de datos desde diversos nodos de manera simultánea, sin embargo, la cuenta gratuita en esta plataforma proporciona la integración de un dispositivo como puerta de enlace, una aplicación y diez dispositivos como máximo. Cada nodo puede transmitir hasta 128 bits y la trasmisión de los datos deben ser, como mínimo, cada tres minutos, además, se debe tener en cuenta que el tiempo de transmisión de datos debe ser optimizado con el fin de mantener un consumo bajo de energía.

TTN es una plataforma que no maneja almacenamiento de datos, sino que solo permite visualizarlos en tiempo real si el usuario hace un seguimiento del estado de los dispositivos. Se ofrece la opción de establecer integraciones con otras aplicaciones y bases de datos a través de protocolos como MQTT (Message Quering Telemetry Transport) o HTTP (Hypertext Transfer Protocol), con el fin de mantener un registro permanente de los datos recolectados y poder aplicar herramientas de ciencias de datos e inteligencia artificial para el tratamiento de estos en otra capa de la arquitectura. El aplicativo que se utiliza en este proyecto es Ubidots, este se integra con TTN a través del protocolo HTTP, lo cual permite conectar los aplicativos de IoT, almacenar la información de todas las variables de forma automática en la nube, visualizar el último registro de forma más amigable para el usuario final y enviar alertas si hay algún comportamiento inusual. Ubidots también cuenta con su versión de instalación para Android, lo cual permite acceder a los datos desde cualquier lugar. Esta plataforma se utiliza de forma temporal, debido a que su versión gratuita tiene una limitación por un año en el almacenamiento de datos y limitaciones de visualización. El objetivo es desarrollar una plataforma propia que sea lo más amigable posible para agricultores y asesores técnicos.

Para finalizar, se presenta la topología de arquitectura establecida (figura 5), la cual consiste en la conexión de las dos fincas seleccionadas con sus respectivos nodos, a 3 km de la puerta de enlace. El gateway se conecta a través del protocolo Wifi a la red de internet, con lo que los paquetes pueden llegar a la plataforma TTN y a través del protocolo HTTP a Ubidots, donde se almacena la información y se visualiza en panel de control o dashboard.

Fuente: Elaboración propia

Figura 5 Topología de red con protocolo LoRaWAN 

Invernadero de tomates

Fuente: Elaboración propia

Figuras 6 Variables adquiridas en el nodo 1 en la finca 1: 6a. Temperatura dentro del invernadero 1 (°C); 6b. Humedad relativa dentro del invernadero 1 (%); 6c. Espectro visible dentro del invernadero 1 (lux); 6d. Espectro infrarrojo dentro del invernadero 1 (lux); 6e. Índice de radiación UV dentro del invernadero 1 (índice UV) y 6f. Variación del voltaje del nodo 1 (V) 

Invernadero de cilantro y cebolla verde

Fuente: Elaboración propia

Figuras 7 Variables adquiridas en el nodo 2, finca 2. 7a. Temperatura dentro del invernadero 2 (°C); 7b. Humedad relativa dentro del invernadero 2 (%); 7c. Espectro visible dentro del invernadero 2 (lux); 7d. Espectro infrarrojo dentro del invernadero 2 (lux); 7e. Índice de radiación UV dentro del invernadero 2 (índice UV) y 7f. Variación del voltaje del nodo 2 (V) 

Análisis de resultados

Según las gráficas de temperatura, tanto en el invernadero 1 como en el invernadero 2, se observa un rango de variación entre 10 °C y 35 °C (máximo nocturno y diurno). Se puede observar también que en el invernadero 2 se registran valores más bajos (cerca de 3 °C menos de temperatura) mientras que en el invernadero 1 (de tomates), se registraron temperaturas un poco más altas. Estos resultados deben ser contrastados con los rangos de temperatura óptimos para el cultivo de tomate, específicamente para la variedad cultivada en cada caso, pues esta puede diferir y con base en esto realizar las recomendaciones necesarias para operar los mecanismos de ventilación del invernadero.

Igualmente, para los cultivos de cebolla y cilantro en el invernadero 2, deben contrastarse los valores con los rangos recomendados según la variedad. En este trabajo no se realizan análisis de la conveniencia o no de los rangos de temperatura registrados y se deja como un trabajo posterior. Los valores extremos de temperatura que estén por fuera de los rangos recomendados para cada cultivo pueden afectar de manera importante la productividad, debido a la muerte de tejidos o afectaciones en proceso fotosintético (^{Allende et al., 2017}).

Para la humedad relativa, inversamente proporcional a la temperatura, los rangos registrados están en promedio entre 30 % y 97 % en el transcurso de 24 horas y alcanzan sus puntos más altos durante la noche, cerca de la madrugada, en ambos invernaderos. Las humedades relativas demasiado bajas, acompañadas de altas temperaturas, también pueden afectar la polinización del tomate. Así, el efecto de los elevados valores de humedad relativa puede afectar el desarrollo de enfermedades al cilantro y la cebolla, por lo que, en este caso, también es importante contrastar los valores registrados con los recomendados, según la variedad de cada cultivo (^{Allende et al., 2017}; ^{Tumbani, 2018}).

El fotoperiodo en el que las plantas pueden recibir la mayor cantidad de luz directa posible es un factor importante para la floración de las hortalizas, por lo que el invernadero debe tener la capacidad de dejar pasar la mayor cantidad de ondas de luz benéficas para la planta al tiempo que rechaza las dañinas, como los rayos UV que provocan daños en el ADN, la fotosíntesis, el afloramiento, la polinización y el desarrollo de las semillas (^{Allende et al., 2017}), es por ello que la cubierta del invernadero debe ser adecuada para la entrada de luz que requiera la planta, lo cual se garantiza con una adecuada limpieza periódica para retirar el polvo y otros obstáculos que impidan el paso de esta (^{Seemuang, 2017}). La medición de intensidad de luz en sus diferentes espectros permite observar si la planta cumple con los requerimientos óptimos para realizar fotosíntesis y otros procesos (^{Fuentes, 2019}).

Para ambos invernaderos, los valores de espectro visible e infrarrojo alcanzan niveles altos en los días más soleados (superior a 800 lux) y los valores mínimos durante las noches (inferior a 200 lux). Con los datos registrados, se observa un índice de rayos UV que se encuentra en un rango entre 0 y 2, dichos valores, según la tabla del índice de UV (^{Silicon Labs, 2008}), se encuentran en un nivel bajo, sin embargo, también se pueden apreciar, de manera muy notoria, valores atípicos que sobrepasan el nivel más alto de la tabla que es de un índice UV de 11, puesto que se alcanzan valores superiores a un índice UV de 100, se debe analizar si estos valores corresponden a un problema físico del sensor o de transferencia de datos.

Finalmente, los valores de voltaje son realmente estables para el invernadero 1, con valores de entre 3,9 V y 4,3 V y para el invernadero 2 se observó una ligera caída de voltaje en los primeros días, debido a una inadecuada configuración del dispositivo, de la corrección en adelante la variación de voltaje ha sido estable, de entre 3,8 V y 4,2 V. En ambos casos, el consumo energético en términos de voltaje tiene un comportamiento ideal, desde que no baje del valor óptimo de operación de 3,7 V. Para una visualización rápida y amigable de los datos en tiempo real, Ubidots ofrece un panel de control que le permite a los usuarios hacer una consulta del estado de sus cultivos, como se ve en la figura 8.

Fuente: ^{Ubidots, s. f.}

Figura 8 Panel de control del estado de los cultivos con la plataforma Ubidots 

Relevancia del estudio

La visualización de un panel de control de variables de cultivo, como tal no es una ayuda significativa para un pequeño agricultor, por lo que esta debe estar acompañada de un asesoramiento técnico de calidad para comprender los datos y tomar decisiones efectivas en pro de la mejora del rendimiento de las cosechas; sin embargo, tener a disposición la información para planear estrategias es una de las tareas más complejas y que consume mayor tiempo y esfuerzo, por lo que una vez implementadas las primeras etapas de recolección y almacenamiento de datos, las posibilidades de allí en adelante son inmensas, por lo que se presentan a continuación cómo las variables medidas pueden convertirse en una gran oportunidad de gestión para un pequeño agricultor (^{Sinha & Dhanalakshmi, 2022}).

Sensor de temperatura: como se observó en la sección de análisis de resultados, la temperatura durante el día y la noche se mueve en determinados rangos al interior del invernadero, por lo que la medición debe ser corroborada con los rangos adecuados para la producción de las diferentes especies de hortalizas. Con esta información y con el conocimiento de los rangos al interior del invernadero, es posible emplear una estrategia de ventilación, para garantizar los rangos óptimos de temperatura que requiere la producción. Al tener esta información disponible en tiempo real, se pueden integrar actuadores que permitan gestionar la ventilación de forma automática o de forma manual por medio de un aplicativo desde cualquier parte del mundo.

Sensor de humedad: la humedad relativa del aire tiene un gran impacto en el crecimiento de la planta y la aparición de enfermedades. La humedad, al igual que la temperatura, debe permanecer en un rango adecuado durante el día y la noche. Al ser una variable indirectamente proporcional a la temperatura, al poder modificar la temperatura, también se logra el control de la variable de la humedad. Al corroborarse los rangos de humedad adecuados, con la gestión de la ventilación al interior del invernadero, se pueden garantizar los niveles de humedad sin dejar de lado la variable de la temperatura.

Sensor de luz: la cantidad de luz puede influir en el proceso de fotosíntesis de la planta, al observar una cosecha con una cámara infrarroja y analizar su concentración de rojo, se da un indicativo de la calidad del crecimiento del cultivo, esta cantidad debe corroborarse dependiendo de la especie en cuestión, así que medir el espectro infrarrojo de forma directa puede dar información de la adecuada nutrición de la palta. Por otro lado, el índice UV cumple un papel crucial, ya que según ^{Sinha y Dhanalakshmi (2022)}: “la radiación UV afecta al sabor, la fragancia y el aspecto de los cultivos alimentarios”, de allí la importancia del cultivo bajo invernadero que recibe menores cantidades de radiación UV que los cultivos exteriores.

Comparación de resultados encontrados en la literatura

En ^{Codeluppi et al. (2020)} se exponen los resultados obtenidos en la instalación de dos nodos internos ubicados dentro de un invernadero, con el fin de obtener la humedad relativa y la temperatura y dos nodos externos ubicados en el viñedo para monitorear la temperatura y la humedad del suelo, donde la recolección y el envío de los datos del nodo SN-V2 se efectúa en un intervalo de 10 minutos, mientras que el nodo SN-V1 transmite cada 30 minutos, esto con el objetivo de analizar el desempeño al muestrear los datos en un lapso grande y evitar saturar la red, ya que depende de la cantidad de mensajes enviados por hora; posteriormente, se almacenan los datos en una base de datos MySQL. Los datos de prueba para la temperatura fueron recolectados aproximadamente durante tres meses con dos sensores diferentes y se obtuvieron datos similares, con mayores valores por el día y menores por la noche. Se observó que la disposición del sensor en forma vertical u horizontal hace diferir las medidas hasta en 1 °C.

Los resultados en el análisis de los datos como máximos, mínimos y promedios muestran un mejor comportamiento para el sensor que tomó datos cada 10 minutos, puesto que se tiene más información. La vida útil varía significativamente entre los nodos internos y externos, debido a que se utilizaron diferentes microcontroladores en los nodos, para los internos se usó la LoPy4 y para los externos el CC, esta diferencia se debe al consumo de corriente en un estado de inactividad, ya que LoPy4 consume 0,05 mA y CC consume 9 mA.

En comparación con la implementación del proyecto, es necesario implementar un nodo externo para hacer un adecuado análisis de resultados con respecto al estado de las variables dentro y fuera del invernadero. Además, se considera probar tecnologías como la Raspberry pi 4 para conectar el sensor del flujo y una cámara para capturar imágenes dentro del invernadero, lo que conlleva a un desarrollo posterior para enviar todos estos datos por el protocolo de LoRaWAN, donde se ve un reto a la hora de enviar imágenes por las frecuencias que se utilizan para este tipo de aplicaciones (^{Triantafyllou et al., 2019}). Con una transmisión de cada 20 minutos de los datos, como intervalo intermedio para reducir el consumo de energía en los nodos, se tiene como objetivo hacer un análisis a partir de los tres meses de la toma de datos para hacer una adecuada comparación de estos resultados.

Recomendaciones y perspectivas

Como perspectiva, se planea la incorporación de otros dos nodos internos que utilizan una tarjeta Raspberry Pi 4B de 4 GB. Este modelo presenta mejoras en la velocidad de procesamiento, desempeño multimedia, memoria y conectividad, para lo cual se requiere de un módulo de expansión Lora/GPS HAT con una banda de frecuencia de 915 MHz que permite incorporar funciones de LoRa y ampliar su rango de comunicaciones con un consumo de corriente mínimo, además, el nodo cuenta con un sensor de temperatura y un indicador de batería baja. La alimentación consta de una batería sellada de 12 V, un panel solar policristalino de 18 W y un controlador solar con una capacidad de 10 A. Adicionalmente, se hará uso de una estación meteorológica externa que cuenta con anemómetro, veleta y cubo de lluvia, que incluye sensores de humedad y temperatura DH11. Para la estación se utilizará un microcontrolador compatible y una tarjeta de Arduino UNO, la cual tiene un bajo costo en el mercado y cuenta con gran flexibilidad y documentación. Este nodo se conectará de una fuente eléctrica ubicada en la casa del agricultor.

Para la plataforma, se espera realizar la integración de una base de datos relacional que permita migrar a bases de datos no relacionales, que posibilitan el análisis de grandes volúmenes de datos, la implementación de técnicas de inteligencia artificial para proyecciones y pronósticos y un desarrollo de servicio web y móvil que garantice una buena interacción y experiencia de los agricultores y asesores técnicos.

Se recomienda realizar un adecuado análisis del consumo energético, que incluya los elementos de control, transmisión y sensores que puedan ser implementados. Las pruebas realizadas dan muestra de la importancia de tener un sistema de alimentación en óptimas condiciones, en particular la elección correcta del controlador solar y del monitoreo del consumo de baterías. Por otro lado, es necesario tener un espacio adecuado para realizar pruebas de marcha del nodo antes del montaje en campo, en el cual se evalúe por varios días el correcto funcionamiento de todos sus componentes. Por último, se sugiere mantener comunicación continua con los productores, para asegurar el acceso a los cultivos durante la instalación. La comunicación también fomenta la participación de los agricultores para garantizar la actividad del nodo de manera continua, puesto que pueden presentarse incidentes que deben solucionarse en campo. Esto último genera una vinculación activa del agricultor con la técnica y esto lo hace estar más abierto a la innovación.