Diseño de sistemas agrícolas inteligentes de código abierto

En los últimos 20 años, la informática ha cambiado drásticamente el mundo y la industria agrícola ha sentido el impacto. Los equipos avanzados ahora pueden conducir a una producción más eficiente; la semilla modificada puede facilitar el manejo de plagas; y la automatización ha permitido que cambien muchas tareas, incluso si no desaparecen. Sin embargo, los agricultores encuentran cada vez más que la tecnología en la que confían es un arma de doble filo.

Al mismo tiempo, los agricultores luchan contra una serie de crecientes desafíos comerciales. También se encuentran incapaces de dar servicio o reparar su maquinaria de la misma manera que solían hacerlo debido a la gestión de derechos digitales del software y otras decisiones de diseño de equipos que favorecen los ingresos por servicios de los fabricantes de equipos sobre los agricultores. En los puntos más extremos de esta tensión entre proveedores y agricultores, los agricultores incluso se han vuelto en deuda con los productores exclusivos de semillas para algunos cultivos, ya que la polinización cruzada con plantas patentadas y modificadas genéticamente en campos contiguos genera litigios de los productores de semillas.

Estas luchas dejan a los agricultores de todo el mundo profundizando para seguir siendo competitivos. En esta competencia, los proveedores los empujan hacia semillas, equipos, productos químicos y otros insumos para su negocio sobre los que tienen un control incompleto. Los agricultores están perdiendo la opción de reparar sus equipos, guardar semillas o tomar otras medidas de ahorro de costos probadas en el tiempo. Son cautelosos con los costos no mencionados de la tecnología en su trabajo.

Con este desafío viene la oportunidad de construir herramientas agrícolas que devuelvan el poder al agricultor. Si los agricultores pueden construir o retener el derecho a editar y utilizar más equipos, el camino hacia fincas más "inteligentes" se vuelve mucho más atractivo para los agricultores. La agricultura en general está viendo enormes oportunidades para la tecnología de vanguardia, como el Internet de las cosas y la inteligencia artificial. El código abierto y otros medios útiles para implementar estas herramientas son fundamentales para que los agricultores mantengan su ventaja competitiva.

Diseño de sistemas agrícolas inteligentes de código abierto y de bajo costo

Un proyecto de investigación reciente realizado en Bangladesh se ha basado en trabajos anteriores mediante la creación de un modelo de código abierto para la agricultura inteligente. Este modelo hace un uso intensivo de los componentes de Arduino, establece un sistema de monitoreo ambiental integral, define enfoques para el análisis de datos y crea rutas para la gestión automatizada de las entradas de la granja. Si bien el enfoque principal del sistema de prueba construido fue la producción en el campo, ya se anticipa que la arquitectura general podría aplicarse a invernaderos, producción ganadera y más aplicaciones agrícolas en el futuro.

Basando todo el equipo de monitoreo en el Arduino Mega 2560, este proyecto se centró en una malla de "nodos de monitoreo" establecidos en un campo agrícola, con un único "nodo central" que agrega todos los datos, activa eventos automatizados y pasa datos a la nube.

Construyendo una malla de sensores

Cada "nodo de monitoreo" agrega una serie de sensores a la placa Arduino Mega. Los investigadores involucrados eligieron dispositivos que eran accesibles para una amplia demografía en función del costo, la facilidad de uso y la flexibilidad.

Para equipar un solo nodo de monitoreo, la placa Arduino se amplió con lo siguiente:

• nRF24L01 + Módulo transceptor inalámbrico PA / LNA para comunicarse con el nodo central - Con un protocolo inalámbrico integrado y un espectro de 2,4 GHz, este dispositivo puede transmitir hasta 1.100 m; el espectro de 2.4 GHz permite 125 canales únicos, extendiendo la cantidad de conexiones posibles para una sola granja y nodo central.
• Sensor de temperatura y humedad DHT11 para medir la temperatura y la humedad de la superficie.
• Sensor de movimiento PIR, que depende de imágenes infrarrojas para detectar movimiento y alertar a los agricultores sobre plagas o intrusos.
• Sensor de gas MQ-135, que detecta varios compuestos orgánicos en el aire, incluido el humo.
• Sensor de presión barométrica BMP180 para detectar cambios en la presión barométrica, lo que indica la posibilidad de tormentas u otros patrones climáticos entrantes.
• Sensor de humedad del suelo, que mide la resistencia eléctrica dentro del suelo para determinar el nivel de saturación de agua del suelo.
• Sensor de detección de lluvia, que verifica si cae lluvia midiendo la resistencia a través de una placa sensora.
• Medidor de pH, que determina la acidez del suelo y la posible necesidad de adiciones al suelo.

Con una amplia selección de accesorios en la mano, el proyecto de investigación creó varias unidades de detección que podrían desplegarse en un campo grande. Dado el hardware de comunicación inalámbrico seleccionado, un solo nodo central podría servir a nodos de monitoreo dispersos con un diámetro de hasta 2200 m. Para preparar cada nodo de monitoreo, cada Arduino se conectó con su matriz de sensores, se programó para almacenar y compartir todos los datos de los sensores y se direccionó por el bien de las comunicaciones.

Una vez que se crearon los nodos de monitoreo, el equipo centró su atención en el nodo central, encargado de un mayor análisis y comunicación de las condiciones de campo.

Equipar la comunicación y la gestión de la explotación

La supervisión de la recopilación de nodos de monitoreo es un "nodo central" diseñado para agregar, informar y actuar sobre los datos recopilados de un campo. Construido sobre la misma plataforma Arduino Mega 2560, transmite lo que está sucediendo en toda la granja. En lugar del equipo sensor empaquetado con cada nodo de monitoreo, el nodo central tiene una tarjeta Wi-Fi y radio celular con una tarjeta SIM para la transferencia de datos "siempre activa" a la nube. El equipo de investigación conceptualizó aún más la adición de servos, motores y hardware similar si sería útil para la gestión del riego automatizado y otros sistemas complementarios en la granja de prueba.

Con este diseño, una sola computadora central y un dispositivo de comunicaciones GSM pueden transmitir la información recopilada a través de una gran franja de tierra. Otras ventajas son numerosas:dadas sus funciones centralizadas, el nodo central está programado para:

• Avisar a los agricultores a través de SMS sobre las condiciones cambiantes y las intervenciones necesarias
• Administre entradas accesibles, como encender el riego en áreas que necesitan agua
• Envíe los datos recopilados a la nube para su procesamiento, análisis y acción adicionales

Vinculación de la recopilación de datos a una gestión agrícola inteligente total

Para alimentar la red de nodos, el equipo combinó un panel solar fotovoltaico con una batería, lo que permitió una disponibilidad constante de energía en el campo. La naturaleza básica de los componentes utilizados asegura un bajo consumo de energía de cada nodo, lo que reduce el suministro total requerido para operar el sistema.

Con un flujo constante de datos de acceso abierto que fluyen desde el campo, las opciones para automatizar más la administración de una granja se vuelven flexibles. Como ejemplo, el proyecto de investigación eligió Google Sheets para la agregación y análisis de datos de sensores. Si bien el software de Google se adapta bien a este propósito y el paquete de Google, en particular, es gratuito, muchas herramientas de análisis y almacenamiento de datos podrían cumplir la misma función.

Sobre el tema de los drones agrícolas especialmente diseñados, el equipo también pudo crear un quadcopter básico con componentes listos para usar. Las alteraciones específicas de un dron típico incluirán eventualmente la capacidad de transportar y aplicar con precisión cargas útiles de pesticidas y fertilizantes. Otras mejoras en el tiempo pueden incluir enfoques avanzados en la detección y eliminación de plagas, la recopilación de datos de cultivos adicionales o incluso podrían aprovechar los avances del aprendizaje automático en la clasificación de productos.

A medida que cada una de estas piezas encaja en su lugar, toma forma un concepto abierto de alto rendimiento para administrar toda la granja. Si bien las consideraciones adicionales, como la seguridad, no se abordan explícitamente en este concepto, la naturaleza abierta del diseño permite que cualquier posible constructor considere esta y otras inquietudes sobre la gestión de sus propios datos. Con el control de su "Internet de las cosas" especialmente diseñada, los agricultores pueden disfrutar de las mejoras en el conocimiento y la eficiencia que promete el IoT sin perder la capacidad de servicio.

Qué viene después

Si bien este proyecto de investigación tenía la intención de agregarse a un cuerpo de trabajo sobre el acceso asequible a la agricultura inteligente, el valor se extiende más allá. El concepto de utilizar componentes populares y ampliamente disponibles, como Arduinos, no solo reduce el costo de entrada a la agricultura inteligente; también significa que los agricultores tienen más control sobre su negocio.

Particularmente para los agricultores de subsistencia y las operaciones de tamaño mediano en todo el mundo, esta democratización está ocurriendo en un momento crítico mientras navegan por decisiones comerciales difíciles.

>> Una versión anterior de este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EEWeb.