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Nuevas herramientas para la agricultura del siglo XXI

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Desde el Centro demostrador TIC de Extremadura, uno de nuestros principales objetivos es el de estar al día en materia de tecnología, para así poder asesorar a toda persona que tenga que solucionar algún problema usando la tecnología como medio para conseguir lo que necesiten. Este año hemos querido ir un poco más lejos y además hemos desarrollado soluciones "demostradoras" que nos permiten enseñar hasta dónde puede llegar la tecnología, aplicándola en un sector clave para nuestra región como puede ser el Agro-Ganadero. 

Los problemas fundamentales con los que nos encontramos en nuestra región a la hora de integrar tecnología son 2 fundamentalmente, la conectividad y la necesidad energética, por ello vamos a desarrollar dispositivos que aporten soluciones a problemas actuales y que sean capaces de afrontar las barreras tanto de conectividad como energética que se dan con mucha frecuencia en zonas rurales aisladas. En primer lugar, se desarrollarán 2 dispositivos enfocados a la toma de datos en agricultura, serán una pica de terreno y una estación meteorológica, con estos dos elementos lo que se pretende es obtener información precisa que determinen las condiciones a las que se exponen los cultivos de una determinada área.

PICA DE TERRENO

La pica de terreno es un elemento diseñado para la toma de datos de suelo, como puede ser la humedad de terreno. Este dispositivo tiene la capacidad de tomar medidas y mandarlas utilizando un módulo RFM95 a una frecuencia de 868Mhz.

Pica V2

Características

El funcionamiento de la pica es muy simple, esta hará una lectura de datos cada cierto tiempo y mandará estos datos encapsulados utilizando el módulo de radio que incorpora, una vez enviados los datos, el dispositivo pasa a modo de hibernación para reducir el consumo al mínimo hasta que deba volver a realizar una nueva lectura.

Consumos y autonomíanomía

El consumo y la autonomía han sido unas de las cuestiones más relevantes a la hora del desarrollo, se ha intentado desde un primer momento hacer que el dispositivo tuviera una autonomía de varios años con una batería de pequeño tamaño, para ello se han seleccionado muy bien los componentes que integran el dispositivo y se han utilizado técnicas de programación para dejar en estado de hibernación al sistema cuando no sea utilizado.

Para alimentar el sistema estamos usando una batería TR16340 (CR123) con 2500mAh, se trata de una batería de Li-ion con un voltaje de 3.7v que es ideal para nuestro sistema, ya que todos los elementos funcionan a un voltaje de 3.3v. Se han incorporado varios reguladores LDO (muy bajo consumo), que permitirán mantener el nivel de voltaje estable. Estos reguladores tienen una caída de tensión muy baja, por ello el sistema funcionará sin problemas hasta que la batería tenga un nivel de unos 3.4v, o lo que es lo mismo, quede en torno a un 15% de batería. Una vez alcanzado este nivel, el sistema comenzará a demandar más corriente y caerá la duración de la batería.

Para optimizar el uso de la batería se han creado dos modos de funcionamiento, el normal y el de hibernación, el modo normal tan solo estará activo durante unos segundos (cuando tenga que tomar medidas y enviarlas), en este modo el dispositivo consume una media de 10mA, mientras que al entrar en hibernación pasa a consumir unos 100uA o lo que es lo mismo 0.1mA, 100 veces menos que en el funcionamiento normal.

Teniendo en cuenta la capacidad de la batería y que el dispositivo mandará datos de forma horaria, necesitando tan solo 3 segundos para realizar las lecturas de datos y su envío, se estima un consumo medio de 108.24uA, lo que deja una autonomía de unos 962,33 días. Si tomamos el modelo de descarga real de la batería, esta duración se reduce hasta unos 817 días (2,2 años).

Conectividad

La conectividad ha sido otro de los grandes retos, es muy importante elegir un tipo de comunicación que se adapte a la zona donde se integrarán los dispositivos y que no entre en conflicto con los otros requerimientos establecidos. Para conectar las picas que se distribuirán en zonas agrícolas, tan solo se podía optar por un par de tecnologías, sacar los datos usando las redes de comunicación móvil o utilizar redes de comunicación LPWAN. Las primeras tienen el inconveniente de tener un alto consumo a la hora de transmitir datos, así como depender de tener una tarjeta SIM por cada dispositivo, algo que lo hace totalmente inviable, es por ello que nos decantamos por la tecnología LPWAN, una tecnología en pleno desarrollo que está especialmente indicada para interactuar con dispositivos IoT, disponiendo de un consumo muy reducido, un gran alcance y un ancho de banda suficiente para la transmisión de datos.

tecnologias comunicación

En nuestro caso nos hemos decantado por usar LoRaWAN y la plataforma The Things Networks (https://www.thethingsnetwork.org/ )para interconectar nuestros dispositivos al servidor donde tenemos desplegada la plataforma WEB.

PinOUT de la pica

PINOUT

Carcasa 

Para la carcasa se ha diseñado un modelo estanco fabricado con materiales no biodegradables que resiste sin problemas la intemperie y el paso del tiempo.

Para ello se han utilizado herramientas de diseño asistido por ordenador CAD/CAM y fabricación digital, utilizando impresoras de resina DLP para conseguir un acabado con gran nivel de detalle. Una vez consolidado el prototipo se realizarán las envolventes definitivas usando para ello extrusión en molde

picaOPT

ESTACION METEOROLÓGICA

La estación meteorológica es un elemento clave para conocer las condiciones climáticas a las que están expuestos los cultivos, es por ello que hemos desarrollado un dispositivo capaz de medir los parámetros más relevantes, como pueden ser la temperatura, humedad, precipitaciones, velocidad y dirección del viento, radiación solar, luz ultravioleta…

Todos estos parámetros afectan en mayor o menor medida al rendimiento de los cultivos, por ello, su monitorización puede aportarnos una valiosa información de cara a la gestión de los cultivos y su optimización en función a las características que ofrece una determinada zona con respecto a otra.

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Características

Fuente de alimentación y autonomía

Debido a la gran cantidad de sensores que incorpora la estación meteorológica y la imposibilidad de alimentar este dispositivo por largos periodos de tiempo con una batería, se decidió incorporarle un panel solar para hacer a la estación meteorológica totalmente independiente energéticamente.

La estación meteorológica incorpora un panel solar de 3.5W y una batería con una capacidad de 2500mA, esto le brinda una autonomía de unas 32 horas a plena potencia y sin ningún aporte de luz solar.

Sensórica incluida

BME680

El BME680 es un sensor ambiental que incorpora presión barometrica, temperatura, humedad y gas  (VOC). Este sensor está diseñado por Bosh especialmente para aplicaciones IoT de muy bajo consumo y gran resolución, la caracteristica más destacada es que es capaz de medir calidad del aire mediante el monitorieo de las partículas en suspensión.

Anemómetro, veleta y pluviómetro

El pack de anemómetro, veleta y pluviómetro es fundamental en toda estación meteorológica, es por ello que se ha incluido en nuestro diseño. Esto nos proporcionará datos extra para poder asocial la salud de los cultivos con parámetros meteorológicos como pueden ser las precipitaciones.

SQ 110 (Radiación Solar)

Se trata de un sensor de radiación solar que se centra en la medición de longitudes de onda que van de los 380 a los 670 nanómetros.

SU100 (Ultravioleta)

Con el sensor de ultravioleta se pueden medir la intensidad con la que se emiten los UV C, UV B y los UV A. En la gráfica puede verse la respuesta del sensor ante estas longitudes de onda determinadas.

Conectividad

Para conectar el dispositivo hemos optado por la misma solución que en el caso de la pica, se le ha incorporado un módulo de radio RFM95 que emite en 868MHz y con el que sacaremos la información mandándola a un Gateway usando para ello LoRaWAN.

Como particularidad, decir que el chip usado en este caso incorpora WiFi y Bluetooth, esto deja abierta la puerta a usar el dispositivo en otros entornos en los que se tenga disponible una red WiFi o incluso a crear APPs en las que se pueda descargar la información recogida mediante el teléfono móvil.

Carcasa

En cuanto a la carcasa, se ha querido aglutinar en una sola envolvente todos los dispositivos, por lo que la batería, panel solar, y electrónica forman un cuerpo único que se añadirá al mástil donde irán el resto de sensores.

estacion meteo

Esta carcasa se ha diseñado con técnicas CAD/CAM y fabricado con impresora 3D, utilizando como material de base el PET, debido a su gran impermeabilidad y resistencia a factores climatológicos.