Monitoreo de humedad en suelo a través de red inalámbrica de sensores

Monitoring Soil Moisture using a Wireless Sensor Network

María Flores-Medina, Francisco Flores-García, Víctor Velasco-Martínez
Instituto Tecnológico de la Laguna, México

Guillermo González-Cervantes^* ]]> Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, México
*Autor de correspondencia

Francisco Jurado-Zamarripa
Instituto Tecnológico de la Laguna, México

Dirección institucional de los autores

M.C. María de Jesús Flores Medina

Instituto Tecnológico de la Laguna
División de Estudios de Posgrado e Investigación ]]> Blvd. Revolución s/n esq. con Av. Cuauhtémoc
27000 Torreón, Coahuila, México
Teléfono: +52 (871) 7051 331, extensión 515
mary_rosch@hotmail.com

Dr. Francisco Flores-García

Instituto Tecnológico de la Laguna
División de Estudios de Posgrado e Investigación
Blvd. Revolución y Calzada Cuauhtémoc s/n
27000 Torreón, Coahuila, México
Teléfono: +52 (871) 7051 331, extensión 515 ]]> francisco.floresgarcia@gmail.com

M.C. Víctor Velasco-Martínez

Instituto Tecnológico de la Laguna
División de Estudios de Posgrado e Investigación
Blvd. Revolución y Calzada Cuauhtémoc s/n
27000 Torreón, Coahuila, México
Teléfono: +52 (871) 7051 331, extensión 515
yoalieh@gmail.com

Dr. Guillermo González Cervantes

Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera CENID-RASPAINIFAP ]]> Km 6.5 margen derecha, Canal Sacramento
35140 Gómez Palacio, Durango, México
Teléfono: +52 (871) 1590 105
gonzalez.guillermo@inifap.gob.mx

Dr. Francisco Jurado Zamarripa

Profesor Investigador
Instituto Tecnológico de la Laguna
División de Estudios de Posgrado e Investigación
Blvd. Revolución y Calzada Cuauhtémoc s/n
27000 Torreón, Coahuila, México ]]> Teléfono: +52 (871) 7051 331, extensión 515
fjurado@itlalaguna.edu.mx

Recibido: 12/12/2014.
Aceptado: 02/06/2015.

Resumen

El agua se ha convertido en un recurso escaso y es primordial para la producción de alimentos. Por esto, la generación de nuevos métodos para la administración y cuidado del vital recurso es cada día más necesaria. En este artículo se presenta un sistema que facilita el monitoreo continuo de la humedad del suelo basado en una nueva tecnología de comunicación: Red Inalámbrica de Sensores (RIS), tecnología emergente que se ha estado utilizando en el ámbito agrícola en los últimos años. Como parte del sistema, se diseñan y desarrollan tres nodo sensores enfocados al monitoreo de humedad en suelo. Se seleccionaron y acoplaron sensores que miden la humedad del suelo con el principio de reflectometría en el Dominio de la Frecuencia (RDF); se describe el método de calibración con el método volumétrico como referencia para obtención de los parámetros de ajuste en los nodos sensores de la RIS. Se diseñó una interfaz para visualización y almacenamiento de la información de la RIS; la información fue enlazada a una cuenta Dropbox para accederla de forma remota. Se presenta después la instalación del sistema RIS en condiciones controladas como prueba y validación de la estabilidad y funcionamiento del sistema en el monitoreo de la humedad del suelo. Finalmente se analiza la importancia de la contribución de esta nueva tecnología, para facilitar el monitoreo de la humedad en suelo y otras variables en los ciclos de cultivo.

Palabras clave: humedad de suelo, redes inalámbricas de sensores, sistema de monitoreo automático.

Water has become a scarce resource and is crucial to the production of food. Therefore, it is increasingly necessary to generate new methods to manage and conserve this vital resource. This article presents a system that helps to continuously monitor soil moisture using a new communications technology— Wireless Sensor Networks (WSN). This is an emerging technology that has been used in agriculture over recent years. Part of the system includes the design and development of three sensor nodes to monitor soil moisture. Sensors were selected and coupled to measure soil moisture using the principle of Frequency Domain Reflectometry. The calibration method is described, which is based on the volumetric method as a reference to obtain fit parameters for the WSN nodes. An interface was designed to display and store the WSN information and the information was linked to a Dropbox account for remote access. The study presents the installation of the WSN system under controlled test conditions as well as the validation of the stability and functioning of the system for monitoring soil moisture. Lastly, the importance of this new technology to aid the monitoring of soil moisture and other variables in the crop cycles is analyzed.

Keywords: Soil moisture, wireless sensor network, automated monitoring system.

Introducción

El agua es uno de los recursos indispensables para que los alimentos sean producidos de forma correcta y posean buena calidad, así como los nutrientes necesarios para que puedan ser llevados a la mesa de los hogares (Muñoz-Arboleda, 2009).

La problemática del agua en zonas desérticas ha aumentado con la escasez de agua en el mundo. La Laguna, formada por las principales ciudades productoras de la región, pertenece a una zona semidesértica, que enfrenta desde hace años la problemática del abastecimiento de agua dirigido a su población y a sus múltiples actividades industriales (Guzmán-Soria et al., 2006). La agricultura es uno de los sectores con mayor consumo de agua (80%) en la producción de alimentos (Pfister, Bayer, Koehler, & Hellweg, 2011) y la actividad agrícola es de las más sobresalientes en la Comarca Lagunera. Por esto se han comenzado a investigar alternativas para mejorar la productividad de este recurso.

Para lograr un proceso de cultivo eficiente y evitar el desperdicio de agua, es necesario conocer las necesidades hídricas de cada cultivo. Para ello se debe evaluar el comportamiento del agua en el sustrato, determinar su frecuencia de riego y la cantidad a suministrar, sin llegar al derroche (Santos-Pereira, De-Juan-Valero, Picornell-Buendía, & Martín-Benito, 2010). Conocer y monitorear la humedad de suelo en los cultivos es parte fundamental del análisis del balance hídrico de las plantas, pues ayuda a la determinación de humedad aprovechable para ellas, evaluar la pérdida de agua por evaporación y drenado, analizar qué tipo de sustrato es el adecuado acorde con el comportamiento de agua-suelo-planta y las condiciones climáticas que favorezcan el cultivo que se está produciendo (Salcedo-Pérez et al., 2007).

Existen métodos directos o indirectos para la medición de la humedad en suelo (Santos-Pereira et al., 2010). Los métodos directos se llevan a cabo de forma manual por los especialistas: requieren tiempo, instalaciones especiales, equipos y de manera continua se afecta el área de cultivo. Los métodos indirectos miden in situ. Se constituyen por dispositivos especiales con diferentes principios de funcionamiento (Florentino, 2006). A pesar de que los métodos indirectos son más rápidos y precisos, se tiene el inconveniente de que se requiere llevar a campo equipos que interpreten, extraigan y almacenen los datos, como los data logger, o establecer instalaciones especiales y costosas para el instrumental de medición. Por tanto, en ambos métodos se vuelve difícil la obtención y monitoreo continuo de la variable, complicando el registro y la observación de los cambios de humedad en el suelo que se da en los ciclos de cultivo.

Una tecnología que se ha estado implementando en diferentes áreas (Luo, 2012) son las redes inalámbricas de sensores (RIS o WSN, por sus siglas en inglés). Una RIS consiste de varios módulos electrónicos (nodos sensores) que tienen acoplados diferentes sensores cada uno. Los nodos sensores son distribuidos en un área general a monitorear. Cada nodo sensor mide de forma puntual las variables, utilizando los sensores que le fueron incorporados, para luego procesar esta información. Después la información en el nodo sensor es transmitida de modo estratégico e inalámbrico entre los demás nodos sensores de la RIS o de manera directa a un nodo coordinador. El nodo coordinador por lo común es conectado a un servidor, donde se registra toda la información de la RIS (Garcia, Bri, Sendra, & Lloret, 2010; Hema, Murugan, & Chitra, 2012; Kumar, Øvsthus, & Kristensen, 2014; Rawat, Singh, Chaouchi, & Bonnin, 2014).

Los sistemas basados en RIS han sido utilizados para facilitar el monitoreo de variables agrícolas y meteorológicas (Aqeel-ur-Rehman, Azafar-Abbasi, Islam, & Ahmed-Shaikh, 2014; Mathurkar & Chaudhari, 2013; Mercado et al., 2012; Wang, Zhang, & Wang, 2006), ya sea en campo abierto (Escolar-Díaz, Carretero-Pérez, Calderón-Mateos, Marinescu, & Bergua-Guerra, 2011; Gopalakrishna-Moorthy, Yaashuwanth, & Venkatesh, 2013; Hwang, Shin, & Yoe, 2010; Patil, Davande, & Mulani, 2014; Santhosh & K-Paulose, 2012; Yu, Pute, Han, & Zhang, 2013) o en invernaderos (Chaudhary, Nayse, & Waghmare, 2011; Kasaei, Kasaei, & Kasaei, 2011). También han ayudado al monitoreo de diferentes cultivos con estructuras de red pequeñas o grandes (Ruiz-Garcia, Lunadei, Barreiro, & Robla, 2009).

En investigaciones recientes se habla de aplicaciones de sistemas basados en RIS enfocadas al monitoreo de humedad en suelo para administrar y aprovechar al máximo el consumo de agua en cultivos (Khan, Ali, Suryani, Ahmad, & Zakarya, 2013; Kotamäki et al., 2009; Majone et al., 2013; Zhang et al., 2011). La figura 1 muestra la estructura y dispersión de un sistema basado en RIS para monitoreo de humedad del suelo en agricultura.

El Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua, Suelo, Planta, Atmósfera (CENID-RASPA) del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) y el Instituto Tecnológico de la Laguna (ITL), colaboran en la creación de nuevos instrumentos basados en RIS para el monitoreo de variables en cultivos en tiempo real, ya sea en campo abierto o invernadero.

En este artículo se presenta el diseño de un primer sistema prototipo utilizando RIS, enfocado a facilitar el monitoreo continuo de humedad en suelo. También se presenta el diseño de una interfaz para observación y almacenamiento de los datos. Se describe el proceso de calibración y la integración de las sondas de humedad con los nodos sensores que conforman la RIS, así como la validación operativa del sistema en un invernadero.

Material y métodos

Las pruebas del sistema RIS para el monitoreo de la humedad en suelo se realizaron en un invernadero en la ciudad de Torreón, Coahuila, México (latitud 25º 35' 31.7'', longitud -103º 22' 40''). En este invernadero se cultiva una planta ornamental (Caladium bicolor) (Ortiz-Sanchez et al., 2013), que para esta investigación se consideró como un estudio de caso.

Características de la RIS

El sistema está formado por tres prototipos de nodos sensores a los cuales les fueron adaptados sondas que miden humedad en suelo, un nodo coordinador y una interfaz gráfica de usuario. Los nodos sensores están construidos con la tecnología RIS Waspmote PRO Libelium (Libelium, Zaragoza, España).

El nodo sensor 1 tiene adaptados dos sondas de humedad VH400 (SH5 y SH6) para medir humedad en suelo. También le fue integrado el sensor SHT11 (THP1) para medir temperatura ambiental, humedad relativa y punto de rocío. Al nodo sensor 2 se le adaptaron cuatro sondas de humedad VH400 (SH1, SH2, SH3 y SH4) y al nodo sensor 3 se le incorporó sólo una sonda de humedad VH400 (SH7).

La sonda o sensor VH400 (Vegetronix, Riverton, Estados Unidos) es de alta frecuencia, que mide humedad de suelo con respuesta lineal por tramos, con un rango de 0 a 50% VWC. Es un método indirecto que utiliza el principio de reflectometría en el dominio de la frecuencia (RDF) (Vita-Serman, Schugurensky, Carrión, & Rodríguez, 2006). La sonda emplea el principio de emisión de señales de radiofrecuencia, donde la señal reflejada es proporcional a la humedad de suelo existente (Capraro et al., 2008).

El sensor SHT11 (Sensirion, Stäfa, Suiza) maneja rangos de temperatura entre -40 y 123.8 ºC, con precisión de ± 0.4 ºC, humedad relativa de 0 a 100% HR, con precisión de ± 3% HR, y a partir de estas dos variables se calcula el porcentaje de punto de rocío, según lo especificado en la hoja de datos del sensor. Ambos sensores son de bajo costo, buena precisión en su rango de trabajo y bajo consumo energético.

Cada uno de los nodos posee un panel solar de 7.2V (Libelium, Zaragoza, España), que aprovecha la radiación solar de la región para recargar de manera continua la batería de litio de 6 600 mAh (Libelium, Zaragoza, España), que alimenta la electrónica del nodo sensor y los sensores.

Interfaz

La interfaz de usuario fue programada como un añadido en la plataforma de software libre Quantum GIS (QGIS) Lisboa v. 1.8 (OSGeo, Beaverton, Estados Unidos). Consiste en una ventana con una fila para cada nodo sensor perteneciente a la red, donde se puede observar la información de la última transmisión de datos recibidos. Por otra parte, los datos de eventos anteriores se van almacenando en archivos de texto csv. Los archivos de texto se almacenan en relación nodo sensor-fecha y cada archivo posee los datos monitoreados de un día completo del nodo sensor. Estos datos fueron enlazados a una cuenta de la nube Dropbox (Dropbox, Inc., San Francisco, USA), para que puedan ser observados desde otras ubicaciones. La figura 2 muestra la interfaz de usuario.

Calibración de las sondas de humedad

A un volumen de 1 000 cm³ del sustrato lombricomposta se le añadió agua en incrementos de diferentes volúmenes conocidos. El sustrato fue secado antes por 24 horas en un horno a 105 ºC. En cada incremento de agua se tomó la lectura con cada sonda. Se calculó la relación de contenido volumétrico de agua (VWC, por sus siglas en inglés, equivalente a las unidades cm³·cm^-3% o θ_υ%) de las muestras y el VWC leído por las sondas, usando las ecuaciones de fabricante. Se obtuvo el error promedio de la comparativa de los dos VWC. Estos errores se presentan en el cuadro 1 de la sección de resultados.

Se realizó un ajuste en cada sonda. Utilizando las ecuaciones de fabricante, se calcularon los voltajes esperados para el VWC de cada muestra. Se obtuvo el error promedio de voltaje de cada sonda. Este error promedio se programó como offset en cada sonda. Se recalcularon los VWC con las ecuaciones de fabricante, utilizando los voltajes de calibración. Después se calcularon los intervalos de confianza de cada uno de los errores promedio a 95%, utilizando las diferentes muestras realizadas. Los resultados se tienen en el cuadro 1.

Instalación de la RIS

El invernadero donde fue instalado el sistema es tipo tubulado forrado de polietileno, cubierto de malla sombra. Las medidas son 50 m de largo, 10 m de ancho y 6 m de altura. En el interior del invernadero existe un sistema de aire lavado para disminuir la temperatura y aumentar la humedad relativa; dos extractores en la parte frontal están continuamente activados para extraer el aire caliente. En la primera mitad del invernadero se maneja un sistema de nebulización extrafino para la humidificación del ambiente.

Se colocaron los nodos sensores del sistema en tres secciones experimentales del invernadero (figura 3). El nodo sensor 1 fue instalado en una superficie de suelo de 18 m x 3 m, que tiene un sustrato mixto, donde se tienen varias líneas de plantas. Cada línea se riega con un sistema de cintilla. En un primer grupo de plantas se colocó la sonda SH5 y, en otro grupo, la sonda SH6. El nodo sensor 2 se instaló en la sección 2, donde se estaba realizando un estudio en cuatro grupos de macetas; cada grupo tenía un diferente tipo de sustrato. En una maceta de cada grupo se colocaron las sondas SH1, SH2, SH3 y SH4. El nodo sensor 3 está en una macetera de madera con medidas de 3 m x 40 cm, donde se tenía otro sustrato diferente a los anteriores. Todas las sondas se instalaron en la superficie del sustrato, cerca de la raíz de la planta y alejadas de la salida de agua del sistema de riego para no afectar las lecturas.

Los paneles solares se colocaron en la parte superior de cada nodo a 23º de línea vertical con orientación hacia el sur, para aprovechar más la radiación solar. A unos metros de las secciones experimentales se conectó a una computadora un nodo coordinador, Waspmote Libelium (Libelium, Zaragoza, España), donde se instaló el QGIS Lisboa v. 1.8 y la interfaz de usuario diseñada.

Resultados

La figura 4 muestra los nodos sensores instalados físicamente (figura 4a, 4b y 4c) y la forma en que se instalaron las sondas en la superficie del sustrato (figura 4d).

El cuadro 1 contiene los errores promedio antes y después del ajuste. También incluye los intervalos de confianza y el offset programado de cada sonda.

La figura 5 muestra el comportamiento de las sondas con calibración para cada uno de los nodos sensores.

Discusión

Sondas

Con el ajuste para cada una de las sondas, el error disminuyó de manera considerable, como puede observarse al comparar los errores promedio del cuadro 1. La sonda SH7 presentó el mayor de los errores incluso con el ajuste realizado. En la figura 5c se observa la saturación de la sonda SH7, presentando una respuesta menor de 50% VWC asegurada por el fabricante. También menciona que no se requiere de una calibración (Vegetronix Inc., n.d.), sin embargo estos resultados sugieren lo contrario, ya que muestran un error de desplazamiento diferente para cada sonda. Además, el error presentado por la sonda SH7 (cuadro 1) indica que el error de desplazamiento puede causar que una sonda no cubra el rango indicado por el fabricante de 0 a 50% VWC. Las sondas deben ser calibradas acorde con el sustrato donde se va a emplear. Los datos obtenidos de la calibración de cada sonda deben ser ajustados y programados en el nodo sensor correspondiente, de esto depende que el sistema posea alta precisión en las lecturas. El proceso de calibración se realizó en un sustrato, pero debe ser realizado para cada sustrato.

Comparadas con otros métodos para obtener la humedad del suelo, las sondas VH400 mostraron mayor sensibilidad a los cambios de humedad. Esto permitió a los nodos sensores dar una lectura rápida y confiable después del ajuste de calibración, sin necesidad de afectar el área donde se quiere conocer la humedad de suelo. El precio es más económico que otras con el mismo principio de funcionamiento.

Monitoreo

El sistema RIS monitoreó humedad de suelo en forma continua y estable durante el periodo de prueba, como se puede observar en las gráficas de la figura 6. La sonda SH2 tuvo un problema técnico durante este periodo, por lo cual se perdieron las lecturas de uno de los grupos de la sección 2. El comportamiento de la humedad superficial en cada grupo es distinto, esto por las diversas características de los sustratos. Se observa que el comportamiento es cíclico en los diferentes días. La planta es regada por la mañana, presentando su máximo de humedad de día. Luego la humedad comienza a descender en las horas pico de temperatura. Por la tarde presenta la humedad más baja registrada en el día. Después la humedad comienza a ascender, manteniendo esa tendencia durante toda la noche.

La interfaz de usuario permitió observar los datos en el momento en que fueron transmitidos (figura 2). Con los datos almacenados se realizó el análisis y graficado en la hoja de cálculo Excel 2007 (Microsoft Office, Redmond, USA). Sin embargo, la interfaz gráfica se diseñó en el software de acceso libre QGIS. En la actualidad se está trabajando en una versión para acoplar trabajo realizado antes (Flores-Medina, Velasco-Martínez, Flores-García, & Cervantes-González, 2013) y ser validado en campo de cultivo. Esto permitirá visualizar y analizar la información con las herramientas de un SIG, almacenando la información en una base de datos PostGIS (Boluwade & Ferdinand, 2011; Steiniger & Hay, 2009).

Sistema

El ahorro de recursos no renovables como el agua es cada día más considerado en el ámbito científico y tecnológico. El enfoque del presente trabajo fue considerar y conocer la implementación de nuevas tecnologías que permitan mejorar precios, instalaciones y tiempos en la producción agrícola en la Laguna, para la administración de agua y otros recursos.

Varios países como España (López-Fidalgo, 2010; Valdiviezo, 2009), Estados Unidos (Lea-Cox, Kantor, Anhalt, Ristvey, & Ross, 2007), Argentina (Mercado et al., 2012), India (Kar, De Sarkar, A., & Mukherjee, 2012), y otros (Arai, 2011; Ayday & Safak, 2009) han trabajado y planeado la administración de recursos de campo agrícola con la tecnologías RIS. En México se ha comenzado a estudiar e implementar esta tecnología para aplicación agrícola, como en el caso de la Universidad de Ensenada y la Universidad de Colima (Aquino-Santos, González-Potes, Edwards-Block, & Virgen-Ortiz, 2011; Aquino-Santos, Villaseñor-González, Rangel-Licea,Álvarez-Cárdenas, & Edwards-Block, 2010; Cárdenas-Tamayo, Lugo-Ibarra, & García-Macías, 2010). Considerando que en Ensenada poseen un clima similar al de la región Laguna (árido y caliente), la tecnología RIS ha dado buenos resultados, al igual que estos primeros pasos de investigación. Un sistema similar al de este estudio se está probando en La Paz, México (Gutiérrez, Villa-Medina, Nieto-Garibay, & Porta-Gándara, 2013). A diferencia del sistema propuesto, esa investigación va enfocada a enlazar los datos a un sitio Web.

Por otra parte, el sistema diseñado se enfoca al monitoreo de la variable humedad de suelo; sin embargo, los nodos sensores pueden trabajar con otros sensores para variables agrícolas o climáticas de interés, como en el caso del nodo sensor 1, que además de las sondas de humedad VH400 tiene implementado un sensor SHT11 de temperatura y otras variables. Se tiene la capacidad de instalar más sensores agrícolas en el mismo nodo sensor. Está preparado para trabajar no sólo en invernadero, que es un monitoreo a corta distancia, sino que se puede implementar en área de cultivo abierto a distancias más grandes, en diferentes cultivos y distintas condiciones agrícolas, siempre y cuando se considere la calibración de los sensores y los parámetros de comunicación de la RIS. Sin embargo, no se debe dejar de lado que es un instrumento para facilitar información a los especialistas, para el análisis de los eventos que ocurren en campo y darles elementos para la toma de decisiones.

Conclusiones

En la búsqueda de nuevas tecnologías para apoyar la optimación del uso de agua para la producción de cultivos, se encontró que el sistema propuesto basados en RIS es un instrumento que facilita el monitoreo de la medición de humedad del suelo, y puede formar parte de una nueva metodología para el monitoreo y administración del agua en la Comarca Lagunera. La descripción de la metodología de calibración de las sondas y obtención de parámetros de operación hacen que se pueda obtener una medición de la humedad de suelo confiable y rápida. La creación de una interfaz para visualizar y almacenar la información permitió tener la información disponible para su análisis y como un historial de eventos. El sistema proporcionó datos del contenido volumétrico de agua en tiempo real y de modo continuo, en condiciones controladas y presentando variaciones por los diferentes tipos de suelo. El sistema puede ser traspolado a campo con la debida calibración de los elementos y pretende ser un instrumento que aporte información detallada y de precisión para observación de los aportes y pérdidas de agua que ocurren en los ciclos de riego. La información del monitoreo de humedad de suelo por el sistema RIS puede ser analizada y utilizada en la toma de decisiones por los expertos en el uso y manejo de agua en cultivos.

Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología, por becas para estudios de posgrado. A los Investigadores del INIFAP, por fomentar la creación de tecnología e innovación mexicana. Al propietario del invernadero, por hacer posible la implementación del sistema para su investigación, y a todo el equipo de trabajo que brindó alguna aportación en esta primera etapa de la investigación.

Referencias

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