Tecnologías de la información y de las comunicaciones aplicadas a problemas de agricultura regional

WICC 2014 XVI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación

Tecnolog´ıas de la informaci´ on y de las comunicaciones aplicadas a problemas de agricultura regional Fernanda Beatriz Carmona1 , Alberto Eduardo Riba1 , Fernando Emmanuel Frati1 , Jorge Dami´an Tejada1 , Horacio Martinez del Pezzo1 , Emanuel Robador1 , Mart´ın Paez Ya˜ nez1 , Alejandro Cruz1 , Nelson Acosta2 , Juan Manuel Toloza2 1

Departamento de B´asicas y Aplicadas, Universidad Nacional de Chilecito

9 de Julio 22, Chilecito, La Rioja, Argentina {fbcarmona, ariba, fefrati, jtejada, hmartinezdelpezzo, erobador, mpaez, acruz}@undec.edu.ar 2

Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires General Pinto 399, Tandil, Buenos Aires, Argentina {nacosta, jmtoloza}@exa.unicen.edu.ar

Resumen Se presenta una l´ınea de I+D de gran inter´es regional, aplicada al problema de racionalizaci´on y uso adecuado del agua para riego de cultivos en climas a´ridos. Los temas abordados son transversales a varias a´reas, como programaci´on, arquitectura de computadoras, investigaci´on operativa, bases de datos y an´alisis de sistemas. Los problemas provienen de empresas del medio, que a su vez se benefician de los resultados obtenidos. Se debe notar que en los proyectos participan alumnos avanzados activamente, por lo que los desarrollos propuestos convergen en tesinas de grado de la Ingenier´ıa en Sistemas de la UNdeC.

rizaci´on del riego presurizado en plantaciones de olivo” y “Utilizaci´on de m´etodos de dise˜ no de software para desarrollar un sistema automatizado de riego”, aprobados en el a˜ no 2013 y 2011 por la Secretar´ıa de Ciencia y Tecnolog´ıa, convocatoria para est´ımulo y desarrollo de la investigaci´on cient´ıfica y tecnol´ogica (FICyT UNdeC).

Cabe destacar que esta l´ınea se presenta como continuidad de los proyectos “Programaci´on y generaci´on de pron´osticos de riego presurizado para cultivo de olivo en regiones a´ridas, utilizando TIC” y como complemento del proyecto “Integraci´on y administraci´on de ´ındices de sensado en la programaci´on y pron´osticos de riego presurizado para cultivo de olivo en Palabras clave: Metodolog´ıa de dise˜ no regiones ´aridas”, aprobados en los a˜ nos 2009 Riego, telecontrol, monitoreo, red de sensores y 2012 respectivamente, por la Secretaria de inal´ambricos, riego presurizado, olivo, prograCiencia y Tecnolog´ıa (FICyT - UNdeC). maci´on de riego.

Contexto

Por otro lado, se coopera activamente con una empresa del medio dedicada al cultivo de La l´ınea de investigaci´on presentada es parte olivo, y se espera que otras empresas de la rede los proyectos “Red de Sensores Inal´ambricos gi´on se beneficien de los resultados de esta l´ınea basado en microcontroladores para la monito- de I+D. Página 647 de 1158

WICC 2014 XVI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación Introducci´ on la medici´on de variables en el suelo: temperatura, humedad, conductividad, consEl riego constituye un aporte artificial de tante diel´ectrica. agua al suelo con el objeto de cubrir los reActualmente las parcelas de la regi´on captuquerimientos h´ıdricos de los cultivos a fin de ran la informaci´on relacionadas con estas variaobtener niveles de producci´on y calidad previbles de manera aislada e independiente por tisibles. Por la escasez del recurso h´ıdrico, por po de sensor (de temperatura ambiente, de huconveniencia para las plantas y como protecmedad de suelo, dendr´ometros, estaciones meci´on del medio ambiente, este aporte se ha de teorol´ogicas), utilizando para el an´alisis e inaplicar con un criterio de conservaci´on de los terpretaci´on de datos la interface de software recursos agua y suelo, y por ende, con la mayor suministrada por el fabricante del dispositivo. eficiencia posible. Para esto, resulta necesario En trabajos anteriores sobre esta l´ınea [1, 2, 3] contar con un profundo conocimiento de los se implemet´o un sistema de registro para esta mismos, como as´ı tambi´en, de los cultivos que informaci´on, pero la carga de datos a´ un se hace demandan este aporte y de las relaciones que manualmente. se establecen entre ellos. De esta manera, se Este proyecto pretende automatizar la cappodr´a llevar a cabo una correcta programaci´on tura de la informaci´on de los distintos sensodel riego, que implica un conjunto de procedires en cada sector de la plantaci´on utilizando mientos t´ecnicos que permiten decidir cu´ando redes de sensores inal´ambricos [4]. Esta pr´actiy cu´anto regar. ca ha sido implementada con ´exito en diversos En el riego presurizado el agua se conduce y a´mbitos como detecci´on de incendios forestadistribuye por conductos cerrados que requieles [5] o la monitorizaci´on de vi˜ nedos [6]. Cada ren presi´on. Desde el punto de vista agron´ominodo de la red estar´a compuesto por un disco se denominan riegos localizados porque hupositivo inal´ambrico aut´onomo y un conjunmedecen un sector de volumen de suelo (sufito de sensores para la recolecci´on de datos de ciente para un buen desarrollo del cultivo) y de distinta naturaleza. Estas redes se caracterialta frecuencia porque el sistema permite regar zan por su escalabilidad, ausencia de cableado, desde una a dos veces por d´ıa, todos los d´ıas bajo consumo y gran variedad de magnitudes o algunos d´ıas, dependiendo del tipo de suelo f´ısico/qu´ımicas medibles, lo que las vuelve muy y las necesidades del cultivo. La posibilidad de interesantes para aplicaciones en agricultura, efectuar riegos frecuentes permite reducir notoya que ser´ıan m´as costosas y complejas de imriamente el peligro de stress h´ıdrico, ya que es plementar con otras tecnolog´ıas. posible mantener la humedad del suelo a niveSe espera que a partir de la automatizaci´on les o´ptimos durante todo el per´ıodo del cultivo, de la recolecci´on de informaci´on de los sensores mejorando las condiciones para el desarrollo de y la integraci´on con el sistema actual, se optilas plantas. mice la generaci´on de estimaciones estad´ısticas y gr´aficos, lo que contribuir´a al proceso de toMonitorizaci´ on del riego en cultivos Pa- ma de decisiones relacionadas con el pron´ostico ra establecer de la manera m´as precisa posible y la planificaci´on del riego. la cantidad de agua y momentos de riego, la programaci´on del riego debe tener en cuenta: Riego automatizado inteligente Existe una gran cantidad de sistemas para la determila medici´on o estimaci´on de variables am- naci´on, control y automatizaci´on del riego que bientales: temperatura, presi´on, radiaci´on permiten un consumo de agua m´as reducido. solar, evapotranspiraci´on. Dentro de estos, se pueden destacar los temporizadores (mec´anicos y electromec´anicos), en el monitoreo en el crecimiento y desarro- los que el tiempo de operaci´on se calcula en llo del cultivo o fitomonitoreo: tama˜ no del funci´on del volumen de agua requerido por unifruto, tama˜ no del tallo, flujo de savia, ´ındi- dad de ´area y el caudal disponible. Estos conce de estr´es h´ıdrico. troladores por tiempo, pr´acticamente se limiPágina 648 de 1158

WICC 2014 XVI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación tan a la puesta en marcha y parada de la ins- ligencia a los mismos, mediante el empleo de talaci´on de riego, o de una parte de ella y el modelos matem´aticos que midan el error entre periodo y la dosis de riego permanecen fijos el valor detectado a trav´es de sensores y el vaseg´ un los tiempos programados en el tempo- lor deseado. Si el error excede el grado de tolerizador. El comando de las v´alvulas se realiza rancia asignado, el controlador utiliza un algoel´ectricamente a trav´es de cables o hidr´aulica- ritmo adaptativo que modifica los par´ametros mente mediante microtubos de polietileno que del modelo y por lo tanto el criterio empleado s´olo env´ıan informaci´on preprogramada a los por el controlador. Estos controladores de rieactuadores, pero no se ajustan a cambios en go inteligente, evaluar´an en forma permanente los restantes factores que influyen en el riego la din´amica del sistema y actuar´an en base a (nivel de humedad en el suelo, estado de las predicciones hechas por el sistema integral desplantas, condiciones ambientales, etc.), necesi- cripto en el proyecto anterior para ajustar el tando reajustes de forma permanente para al- suministro de agua eficientemente. canzar altos niveles de eficiencia [7]. En nuestra regi´on, los equipos de riego locaıneas de investigaci´ on y lizado empleados en la mayor´ıa de las explota- L´ ciones agr´ıcolas no poseen automatismos, o en desarrollo algunos casos, estos se encuentran en desuso. La apertura y cierre de las v´alvulas de las difeSistemas de informaci´on y bases de datos. rentes subunidades y sectores de riego se realiza en forma manual, acotando los tiempos de Sistemas de tiempo real. riego, bas´andose principalmente en la experiencia de quien lo programa o en recomendaciones Dise˜ no de dispositivos de automatizaci´on. surgidas de mediciones de humedad de suelo. Comunicaciones inal´ambricas. La fertirrigaci´on sufre de las mismas limitaciones. Redes de Sensores. Como resultado inevitablemente este proceso provoca un desperdicio de agua y energ´ıa el´ectrica, un riego inadecuado que no alcanza al nivel ´optimo de humedad e implica un eleva- Resultados y Objetivos do costo operativo por la necesidad de contar Se espera que la implementaci´on de estos siscon personal dedicado a la operaci´on y mantetemas permitir´a: nimiento de cada unidad de riego. En los u ´ltimos a˜ nos, se ha evolucionado haAnalizar y estudiar las diferentes tecnocia sistemas mucho m´as complejos que, basalog´ıas de microcontroladores, m´odulos de dos en la utilizaci´on de microprocesadores o conexiones inal´ambricas y tipos de sensomicrocontroladores, posibilitan el control total res (de temperatura ambiente, de humede las instalaciones de riego [8]. Estos nuevos dad de suelo, dendr´ometros,) disponibles sistemas obtienen realimentaci´on de informaen el mercado. ci´on actual o pasada referente a variables ed´aficas (humedad del suelo, clima, demanda evaMonitorizar en forma centralizada, remota porativa del aire u otras) y ejecutan acciones y en tiempo real las variables capturadas de control que involucran el accionamiento de por los diferentes sensores. la bomba de agua, de las v´alvulas de riego e incluso la fertirrigaci´on, con el fin de alcanzar Mejorar la capacidad de administraci´on y un determinado nivel de humedad en el suelo. planificaci´on de los recursos h´ıdricos destinados al riego, a trav´es del an´alisis de las Sin embargo, esos sistemas funcionan a movariables obtenidas de los nodos instalado de lazo cerrado con respecto a las variables dos en sectores con diferentes caracter´ıstique monitorizan. Para mejorar la eficiencia del cas de suelo y clima. riego se propone agregar cierto grado de intePágina 649 de 1158

WICC 2014 XVI Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación Configurar adecuadamente los algoritmos Sistemas de Software. [Online]. Available: de control y aplicar estrategias de riego http://hdl.handle.net/10915/19571 que optimicen la relaci´on kg producido [3] E. A. Riba, F. B. Carmona, F. E. Frati, por m3 de agua aplicada. J. D. Tejada, N. Acosta, and J. M. Toloza, “Integraci´on y administraci´on de ´ındices de Evaluar distintos esquemas de control, sensado en la programaci´on y pron´osticos comparar los resultados e inferir en la elade riego presurizado para cultivo de olivo boraci´on de nuevas estrategias de riego. en regiones ´aridas,” 2012, eje: Innovaci´on Aumentar la uniformidad y la eficiencia de en sistemas de software. [Online]. Availala aplicaci´on del agua del riego. ble: http://hdl.handle.net/10915/19218 Reducir los costos asociados de consumo [4] C.-Y. Chong and S. Kumar, “Sensor networks: evolution, opportunities, and chadel agua. llenges,” Proceedings of the IEEE, vol. 91, no. 8, pp. 1247–1256, Aug. 2003.

Formaci´ on de Recursos Humanos

[5] Javier Solebera, “Detecting forest fires using wireless sensor networks,” Sep. 2010. [Online]. Available: El equipo de trabajo est´a formado por cuahttp://www.libelium.com/wireless sensor tro docentes de las carreras Ingenier´ıa en Sisnetworks to detec forest fires/ temas y Licenciatura en Sistemas de la UNdeC (acreditadas por CONEAU), dos de los cuales [6] Alberto Bielsa, “Smart agriculture project in galicia to monitor a vineyard with est´an realizando su magister y uno finalizando waspmote,” Jun. 2012. [Online]. Available: su doctorado. Tambi´en participan dos docenhttp://www.libelium.com/smart agricul tes de postgrado de otra universidad del pa´ıs ture vineyard sensors waspmote/ y cuatro alumnos avanzados de grado, tres de ellos realizando su trabajo de tesina final en [7] Richard G. Allen, Luis S. Pereira, Dirk esta l´ınea de I+D. Raes, and Martin Smith, “Crop evapoLos integrantes son docentes de las asignatutranspiration - guidelines for computing ras Arquitecturas de computadoras I y II, Arcrop water requirements,” Food and Agriquitecturas paralelas, Programaci´on I y II. Esculture Organization of the United Nations, tas asignaturas contemplan la aprobaci´on mevol. 300, p. 15, 1998. [Online]. Availadiante la participaci´on en proyectos de investible: http://www.engr.scu.edu/∼emaurer/ gaci´on, por lo que pueden surgir nuevos trabaclasses/ceng140 watres/handouts/FAO jos en esta l´ınea. 56 Evapotranspiration.pdf

Referencias [1] F. B. Carmona, A. E. Riba, A. Sfeir, and F. E. Frati, “Pron´osticos de riego presurizado para cultivo de olivo en regiones a´ridas,” 2008, eje: Ingenier´ıa de Software y Base de Datos. [Online]. Available: http://hdl.handle.net/10915/20640 [2] F. B. Carmona, E. A. Riba, A. Sfeir, and F. E. Frati, “Pron´osticos de riego presurizado para cultivo de olivo en regiones a´ridas,” 2010, eje: Innovaci´on en Página 650 de 1158

[8] Flavio Capraro, Santiago Tosetti, Facundo Vita, Daniel Pati˜ no, Carlos Schugurensky, and Andr´es Lage, “Sistema de control autom´atico de riego por goteo. un enfoque para restringir agua en olivares,” in Proceedings del XIII Congreso Latinoamericano de Control Autom´ atico, Colegio de Abogados del Estado M´erida, Venezuela, Nov. 2008, p. 8.