Servicio de riego mediante internet y dispositivos móviles en la zona del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas*
Irrigation service via internet and mobile devices in the area of the Graduate College of Agricultural Sciences
Graciano Javier Aguado Rodríguez1§, Abel Quevedo Nolasco1, Martiniano Castro Popoca1 y Mario Alberto Vázquez Peña2
1 Colegio de Postgraduados. Carretera México-Texcoco, km 36.5. C. P. 56230. Tel. 01(595) 8046800. Montecillo, Estado de México. (anolasco@colpos.mx; mcastro@colpos.mx). §Autor para correspondencia: aguado.graciano@colpos.mx.
]]> 2 Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 38.5. C. P. 56230. Tel. 01(595) 5921500. Chapingo, Estado de México. (mvazquezp@correo.chapingo.mx).
* Recibido: octubre de 2013
Aceptado: febrero de 2014
Resumen
En la actualidad se dispone de herramientas para conocer en tiempo real los requerimientos de riego en las plantas. El objetivo de esta investigación fue crear un sistema para dar recomendaciones de necesidades de agua a las diferentes unidades (cultivo parcela) del área de influencia del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, mediante internet y dispositivos móviles. El estudio se llevó a cabo en las instalaciones del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, Campus Montecillo y se desarrolló en diferentes fases. La primera consistió en conectar una estación meteorológica Campbells con un servidor e instalar las aplicaciones necesarias para obtener mediciones de los elementos meteorológicos y almacenarlos en una base de datos en MySQL. Posteriormente se creó un sitio web cuyo objetivo es obtener datos necesarios para el realizar balances hídricos. Los datos se almacenaron en tablas de datos contenidas en el gestor de base de datos MySQL (Kofler, 2005). La última interface consistió en implementar el servicio de mensajería por medio de un celular en el momento que se requiera el riego. Los resultados mostraron que se puede tener un sistema automatizado que esté informando constantemente el estado de humedad en la parcela al usuario.
Palabras clave: balance hídrico, sitio web, tiempo real.
Abstract
]]> Currently, there are available tools for real-time irrigation requirements in plants. The objective ofthis research was to create a system for water needs recommendations to the different units (cultivation plot) of the area of influence of the Graduate College of Agricultural Sciences, through the internet and mobile devices. The study was performed in the facilities of the Graduate College of Agricultural Sciences, Campus Montecillo and developed in different phases. The first was Campbells connect a weather station with a server and install the necessary steps to obtain measurements of meteorological elements and store them in a MySQL database applications. Subsequently a website aiming to provide data needed to perform water balance was created. The data is stored in data tables contained in the database manager MySQL (Kofler, 2005) data. The last interface was to implement the messaging service through a cell at the time that irrigation is required. The results showed that an automated system may constantly inform the state of moisture in the plot to the user.Keywords: water balance, web site, real time.
Introducción
El riego abastece a la planta el agua necesaria para su crecimiento y desarrollo. Cabe mencionar que es de vital importancia cuidar el recurso agua ya que se estima que la eficiencia en el uso del agua de riego, es aproximadamente de 38% en el mundo y en el año 2030 mejorará hasta llegar a un promedio de 42%, con ayuda de la tecnología y mejor administración del riego (UN, 2003). Es por esto que es necesario hacer más eficiente el manejo del recurso agua tanto para satisfacer las necesidades humanas como las de los cultivos. Palacios y Exebio (1989) señalan que el riego es tan importante, que en algunos distritos de riego del suroeste de los Estados Unidos de América, técnicos del gobierno federal y estatal asesoran a los usuarios y les indican cuando deben regar. En la actualidad se cuenta con varias herramientas, entre ellas, el uso de sistemas de riego, y la automatización.
Con éstas, se puede controlar el momento del riego de acuerdo a las necesidades de la plantas para mantenerlas con nivel de hidratación adecuado y con la menor cantidad de uso del recurso agua y así evitar una deficiencia hídrica que podría afectar la productividad de los cultivos (Calvache et al., 1997). Para controlar el momento del riego se dispone de mediciones de elementos climáticos (temperatura, radiación solar, precipitación, entre otras) y factores edáficos (textura del suelo, humedad del suelo entre otras). Con ellos, el sistema puede conocer el momento ideal en el que se requiere aplicar el riego y en tiempo real ejecutarlo.
Algunos investigadores(as) como Allen (1998) han propuesto metodologías para automatizar el riego mediante funciones que modelan el comportamiento de la planta. Adicionalmente, entre las herramientas con las que se cuenta para encontrar mediciones de las variables para controlar momentos de riego, se tienen entre otras, estación meteorológica, la cual nos indica el estado del tiempo en todo momento ya que mide variables meteorológicas y las envía a cualquier dispositivo en el que se puede procesar la información (computadora); software de programación, con el cual podemos indicar a la computadora las operaciones necesarias para tomar decisiones; servicio de internet, al que se le pueden subir datos y hacer uso de ellos desde cualquier ubicación en donde se cuente con una computadora; celular, con esta herramienta podemos conectar a cada usuario e informarle lo que está ocurriendo en su parcela en tiempo real.
Cabe mencionar, que en algunos lugares se han creado redes de estaciones meteorológicas para apoyar a los agricultores a utilizar de manera adecuada sus recursos hidráulicos. El AZMET (Arizona Meteorological Network) es uno de estos, opera en el sur y centro de Arizona y cuenta actualmente con 27 estaciones meteorológicas automatizadas.
Por otra parte, también se han realizado estudios para optimizar el uso del agua. Bralts et al. (1986) elaboraron un programa de cómputo llamado SCS-Scheduler, el cual utilizaron para automatizar el riego con un Datalogger y controles de encendido y apagado de dispositivos. Wessels et al. (1995) elaboraron un sistema que controlara el riego por medio de una computadora, la cual almacenó datos meteorológicos, calculó la evapotranspiración y controló el nivel de salinidad en el agua. Al igual que los anteriores, Xin et al. (1995) realizaron un sistema para el manejo de riego en tiempo real enfocado a la protección contra heladas y control de fertilización en cítricos.
En otra investigación se desarrolló un programa de cómputo llamado AUTRI ver. 1.0, el cual tiene las opciones de determinar el riego por estimación de balance hídrico o mediante mediciones de electrotensiómetro para determinar el momento del riego (Moreno et al, 1996). Cabe mencionar que Águila (2003), utilizó datos de suelo cultivo y elementos meteorológicos para determinar el riego en tiempo real mediante un sistema automatizado. Lugo et al. (2011) mostró un prototipo funcional, con base en la integración de tres tecnologías, computación, comunicaciones y electrónica para automatizar el control del riego para sistemas cerrados o abiertos.
]]> Por lo anterior, se planteó esta investigación con el objetivo principal de conocer la cantidad de agua en tiempo real en cultivos que son regados por el método de gravedad y a cielo abierto. Se planteó la investigación debido a que el uso racional del agua de riego y de los fertilizantes es fundamental para mejorar el ingreso de los productores y proteger el ambiente (Rosano et al, 2001). Cabe mencionar que en México se tiene una gran área de riego por gravedad. No obstante, se utiliza agua demás por lo regular.Finalmente, con este trabajo se tiene como objetivo brindar información para indicar la cantidad y el momento del riego en tiempo real a cada parcela por medio del servicio de internet y dispositivos moviles y así hacer más eficiente el uso del agua y al mismo tiempo manteniendo en condiciones adecuadas la humedad del suelo para el mejor desarrollo de las plantas.
Materiales y métodos
La presente investigación se realizó en una parcela del Campus Montecillo del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, Texcoco, Estado de México, ubicada en una latitud norte de 19° 27', longitud oeste de 98° 54' y altitud de 2 240 msnm.
Para la elaboración del proyecto de investigación se requirió un dispositivo móvil (teléfono celular) marca Nokia modelo C3-00, una estación meteorológica automática (EMA) de marca Campbell SCI para obtener datos de elementos climáticos, tres sensores de humedad de suelo 10HS para medir contenido volumétrico de agua en el suelo (Decagon, 2008) y una computadora con el sistema operativo Windows 7 con procesador de 2.2 GHz y 2 GB de memoria RAM.
Los sensores de humedad de suelo 10 HS se instalaron en las profundidades 5-15 cm, 15-25 cm y 25 a 35 cm y los datos se almacenaron en el Data Logger CR1000 de la EMA. Es necesario indicar que se colocaron a esas profundidades debido a que se estimó el promedio de contenido volumétrico de agua en la capa de los primeros 40 cm de profundidad del suelo, para ello, se tomaron mediciones cada 10 min de cada sensor y se estimó el promedio a nivel horario. Posteriormente se realizó la estimación diaria del contenido volumétrico de agua en el suelo con los promedios horarios.
La EMA utilizada funciona por medio de un Datalogger CR1000, el cual es un dispositivo electrónico que procesa y guarda los datos resultantes de la medición de los sensores de los elementos climáticos (Campbell, 2000) y se conecta a la red de internet del Colegio de Postgraduados mediante el conector de red NL115 el cual tiene el papel de funcionar como interface de comunicación entre la estación meteorológica y la computadora (Campbell, 2006). La EMA está ubicada a 10 m de la parcela de estudio.
En la computadora se instalaron los programas de cómputo: MySQL Server el cual es un gestor de bases de datos para almacenar información (Korhonen et al., 2008); MySQL Conector Net 6.3.5 que es un conector del programa Microsoft Visual Studio 2010 con MySQL Server (Kofler, 2005); Microsoft Visual Studio 2010 que es un conjunto completo de herramientas de desarrollo para la generación de aplicaciones WebASP.NET, Servicios Web XML, aplicaciones de escritorio y aplicaciones móviles (Randolph et al., 2010); LoggerNet 3.4.1 el cual es un software que sirve para comunicar a la computadora con el Data Logger CR1000 (Campbell, 2007) de cualquier estación meteorológica automática (EMA); Tera Term 4.71, el cual se utilizó para realizar pruebas de comunicación entre computadora y dispositivos móviles.
Una vez instalado el software necesario en la computadora, se creó una base de datos llamada MYDB en el programa MySQL Server (Figura 1). El modelo entidad relación incluye las tablas de datos: Suelo, la cual incluye las variables de suelo cantidad de arcilla (%), cantidad de limo (%), cantidad de arena (%), contenido de materia orgánica (%) y densidad aparente de suelo (g/cm3); cultivo, que incluye datos como nombre de cultivo, duración del cultivo en días (desde siembra a cosecha), función del coeficiente de cultivo, función de la profundidad de la raíz y función del abatimiento permisible en la humedad del suelo; Usuario, que indica datos de nombre de usuario, dirección de correo electrónico, número de celular, nombre de identificación personal, contraseña; Parcela, la cual indica nombre de la parcela, coordenadas que delimitan a la parcela, día juliano de plantación, pago de servicio y verificador que indica si parcela está dada de alta; estación, la cual contiene datos de latitud, longitud y altitud; elementos climáticos horarios, en donde se almacenan los datos de evapotranspiración de referencia (ET0, mm), velocidad del viento (m/s), precipitación (mm), radiación (W/m2), temperatura media (°C), y humedad relativa (%).
]]> Posteriormente se creó en Visual Studio 2010 un sitio web para ingresar y extraer a la información de la base de datos MYDB. El sitio web se elaboró con el fin de crear una interfase con la cual el usuario pueda ver el estado de su parcela en tiempo real y el administrador pudiera interactuar con las parcelas que desee, para ello se utilizó el programa Google MapsTM, esto, debido a que los servicios de Google MapsTM pueden superar limitaciones cartográficas mediante el acceso a través de internet, a la cartografía y a las estructuras de la red de carreteras/calles así como a importantes datos reales relacionados con carreteras y restricciones de tráfico (Santos et al., 2011). Se obtuvieron las herramientas precisas para obtener el funcionamiento adecuado de las ventanas de Google Maps en el sitio web creado además de las funciones necesarias para obtener coordenadas de parcelas para almacenarlas en la base de datos en MySQL. El sitio web está compuesto por cuatro páginas, las cuales cumplen diferentes funciones y se utilizaron para alimentar a las tablas de datos en MySQL. Las páginas se describen a continuación.Página de acceso. Se creó una página para que los usuarios tuvieran acceso al sistema mediante el uso de un identificador de usuario y una contraseña. Desde esta se puede tener acceso a la página de registro mediante un enlace (Figura 2).
Página de registro: se elaboró para que los usuarios que tuvieran una parcela en el área, se dieran de alta, mediante la introducción de los datos mostrados en la (Figura 3).
Página de usuario nivel uno (administrador): se creó para que el administrador del sistema tuviera la capacidad de editar, crear o eliminar parcelas (Figura 4).
Página de usuario nivel dos (encargado de la parcela): se creó para que el usuario pueda consultar los datos de balance hídrico actual en su parcela y se colocó la opción de dar de alta otras parcelas (Figura 5). En este apartado es necesario mencionar que el sistema de control del riego es abierto debido a que el usuario es el que toma la decisión de ejecutar el riego (Zazueta, 1993).
Después de lo anterior se elaboró una aplicación que computa el balance hídrico climático (BHC) a nivel parcela y a nivel horario. Las funciones que se realizan se muestran en la Figura 6. Para calcular el balance hídrico se utilizó la metodología propuesta por Castro et al. (2008); sin embargo, la evapotranspiración del cultivo (ETC) fue estimada con el método de Penman-Monteith a nivel horario (Allen, 2006) debido a que autores(as) como Hatfield (1990) aseguran que los sistemas de medición de evapotranspiración proporcionan datos de mayor precisión en intervalos cortos de tiempo.
]]> Cabe mencionar que el DataLogger CR1000 puede calcular la evapotranspiración de referencia mediante la ecuación estandarizada de la evapotranspiración de referencia de la American Society of Civil Engineers (Allen et al, 2005); no obstante, este último dato no se utilizó. De acuerdo con Allen (2006), el balance diario del agua en la zona radicular del suelo, expresado en términos de agotamiento al final del día, es:Dr,i= Dr,i-1 - (P - RO)i - Ii - CRi + ETc,i + DPi
Dónde: Dr,i agotamiento de humedad en la zona radicular del suelo al final del día i [mm]; Dri-1 agotamiento de humedad en la zona radicular al final del día anterior, i-1 [mm]; Pi precipitación en el día i [mm]; ROi escurrimiento superficial en el día i [mm]; Ii lamina neta de riego en el día i que infiltra en el suelo [mm]; CRi ascenso capilar proveniente de la mesa de agua subterránea en el día i [mm]; ETc,i evapotranspiración del cultivo en el día i [mm]; DPi pérdidas de agua de la zona radicular por percolación profunda en el día i [mm].
Sin embargo, el programa que calcula el BHC a nivel horario tomó la misma ecuación, pero en lugar de utilizar un intervalo de tiempo por día, lo hizo por hora.
En cuanto a la actividad siguiente se elaboró un proyecto en Visual Studio 2010 para enviar mensajes de texto a usuarios que estén dados de alta en el sistema. La interface se creó por medio del envío de comandos AT al dispositivo celular. Cabe mencionar que el control del teléfono móvil se llevó a cabo mediante el conjunto de comandos AT especificados en la normativa GSM, no obstante, los comandos pueden variar dependiendo del fabricante del terminal (Sallent, 2003).
La función principal de envío de mensajes verifica si el usuario o encargado de la parcela desea que se le avise vía celular, a continuación se verifica si ya se ha abatido la humedad fácilmente aprovechable en la parcela y si esto ocurrió, se verifica si ya se ha enviado un mensaje de necesidad de riego, en caso de no haberlo enviado, se crea un texto que contiene la humedad fácilmente aprovechable (mm) y la lámina consumida (mm) en la parcela, para que el usuario conozca la cantidad de agua que debe aplicar y decida cuando aplicar el riego.
Resultados y discusión
El sistema se puso a prueba durante 24 días del 23 de junio a las 0:00 h y 17 de julio de 2013 a las 0:00 h, recolectando los datos a nivel horario de velocidad del viento a 2 m de altura, precipitación (mm), radiación (W/m2), temperatura media (°C), humedad relativa (%), evapotranspiración de referencia (mm) y el promedio de contenido volumétrico de agua en el suelo en los primeros cuarenta centímetros de profundidad (m3/m3). Las variables meteorológicas se almacenaron en la base de datos MYDB.
El cultivo de la parcela fue alfalfa (con cuatro años de establecimiento, por lo que no se cubría totalmente la superficie del suelo) con una vida de 13 días después del último corte. Se muestreo el suelo para a definir la profundidad con mayor densidad radicular que fue hasta los 40 cm de profundidad, por ello el BHC se realizó únicamente en esa profundidad así mismo el monitoreo de la humedad. De previos análisis de suelos realizados en la parcela se conoce que el promedio de contenido de arena es de 61%, de limo 17%, de arcilla 22%, de materia orgánica 1% y la densidad aparente de 1.31 g/cm3 en los 40 cm de profundidad, además la capacidad de campo (CC) es 0.2507 m3/m3 y el punto de marchitez permanente (PMP) es 0.1462 m3/m3. Para iniciar el balance se consideró que el contenido volumétrico de agua en el suelo (WV C) medido con los sensores 10HS a las 23:00 h del 22 de junio de 2013 fue de 0.221 m3/m3; debido a esto, al primer BHC (calculado en la hora 00:00 del 23 de junio de 2013) se le asignó la misma cantidad de WVC señalada por el sensor de la hora anterior.
]]> No obstante, es imprescindible mencionar que el BHC se calculó en milímetros, por lo que fue necesario convertir los 0.221 m3/m3 a milímetros. Para ello, se sabe que el contenido de agua a CC es de 100.28mm y el contenido inicial indicado por el sensor de humedad en milímetros fue de 88.4 mm, dentro los 40 cm de profundidad en el suelo. Por lo que el agotamiento de humedad en la zona radicular al final de la hora fue de 11.9 mm (100.28 mm-88.4 mm). Posteriormente, ya con las condiciones iniciales definidas se inició la estimación del BHC para todas las horas comprendidas en el periodo estudiado.Es importante añadir que el BHC estimado obtuvo el agotamiento de humedad en la zona radicular del suelo al final de cada hora en milímetros y los sensores de humedad en m3/m3, por lo que fue necesario convertir el agotamiento de milímetros a m3/m3. Para hacer esto, a los 100.28mm de capacidad de campo se les restó el agotamiento horario y el resultado se dividió por 400 mm (profundidad del suelo). Con las operaciones anteriores se obtuvo el BHC en m3/m3 y se logró comparar con el WVC indicado por los sensores 10HS.
Antes de realizar la comparación entre los datos, se debe indicar que el WVC del suelo registrado por los sensores 10HS fue revisado y si la medición superaba a la humedad CC, el WVC se fij aba a lo equivalente al contenido de humedad a CC. Posteriormente las mediciones de los sensores de la humedad en el suelo se ponderaron por la profundidad del volumen de influencia del sensor. Para realizar esto, a la medición de WVC indicada por el sensor ubicado entre 0 y 15 cm, se le multiplicó por 15, a la medición indicada por el sensor ubicado de 15 a 25 cm se le multiplicó por 10 y a la medición indicada por el sensor ubicado entre 25 y 35 cm se le multiplicó por 10, los resultados se sumaron y el total se dividió por 35.
Para mostrar la información obtenida de WVC y BHC se indica a nivel diario, para ellos en el BHC se cierra e inicia a las 00:00 h de cada día; de igual manera para la lectura de los sensores (Figura 7).
En la Figura 7 se puede observar que el WVC estimado con el BHC tiene un comportamiento similar al medido con los sensores 10HS; sin embargo, el WVC estimado con el BHC indica que la humedad del suelo disminuye en mayor medida en los primero cuatro días, por lo que al realizar una regresión lineal entre ambos, podría producirse un gran error. Por lo anterior, se planteó realizar el análisis de regresión únicamente para el periodo comprendido entre las fechas 27 de junio de 2013 y el 11 de julio de 2013 y se le estimó la correlación y un modelo de regresión lineal de la forma y= a+b*x, en donde "x" es el WVC medido por los sensores 10HS, "a" y "b" constantes y "y" es el WVC estimado por el BHC (Figura 8).
Para verificar si existe relación lineal entre el WVC medido con los sensores de humedad 10HS y el WVC estimado con el BHC, se realizó el análisis de varianza de la significación de la regresión (Cuadro 1).
]]> Del Cuadro 1 se verifica que F0 equivale a 95.7446 y F0.05,1,13 equivale a 4.67. Por lo tanto, dado que F0 es mayor que F0.05,1,13, se confirma que si existe una relación de tipo lineal entre los datos mencionados. Después de lo anterior se verificaron los coeficientes de la ecuación de regresión y se encontró que el coeficiente "a" es estadísticamente diferente de cero debido a que su valor |t0| > t0.025,13, ya que t0.025,13equivale a 2.16. Adicionalmente el coeficiente "b" es diferente de cero debido a que su valor |t0| > t0.025,13, por lo tanto se puede inferir que el WVC medido con los sensores de humedad 10HS es 1.27 veces mayor que el WVC estimado con el BHC.
Conclusiones
Se concluye que es posible integrar un sistema de servicio de riego mediante dispositivos móviles al conjuntar las tecnologías de información y comunicación (TIC). Donde se integra la información meteorológica (de las estación Cambpell), de las unidades (cultivo-suelo-productor) y el balance hídrico, todo en línea, que contribuye a la toma de decisiones oportunas con el fin de solicitar el riego. En este sistema aún se usan los desarrollos del fabricante para la comunicación entre el servidor y la EMA, por lo que necesario mejorar este punto. Con la posibilidad de incluir una Red de EMA's para cubrir superficies, e implementar el manejo y control de calidad de la información, incluir métodos de interpolación, entre otros servicios. Otro punto a considerar es contar con un programa de calibración y mantenimiento de sensores con el fin de contar con información confiable.
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