Prototipo de solución Iot con tecnología Lora en monitoreo de cultivos agrícolas

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PROTOTIPO DE SOLUCIÓN IoT CON TECNOLOGÍA “LoRa” EN MONITOREO DE CULTIVOS AGRÍCOLAS.

JORDAN CAMILO TRIANA USECHE RONALD ESTIVEN RODRIGUEZ LEGUIZAMO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

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PROTOTIPO DE SOLUCIÓN IoT CON TECNOLOGÍA “LoRa” EN MONITOREO DE CULTIVOS AGRÍCOLAS.

JORDAN CAMILO TRIANA USECHE RONALD ESTIVEN RODRIGUEZ LEGUIZAMO

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES

DIRECTOR:

ING. GIOVANI MANCILLA GAONA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

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Resumen

Esta monografía consiste en el desarrollo teórico-práctico de un prototipo de solución IoT para el monitoreo de cultivos agrícolas, implementando una de las nuevas tecnologías en el sector IoT “LoRa”, quien cuenta con un bajo consumo de energía y larga distancia (mayor a 8Km en línea de vista) entre el dispositivo transmisor y el dispositivo receptor, con el fin de conocer las variables físicas que afectan directamente al proceso de un cultivo a través de un aplicativo web.

La adquisición de datos provenientes de los sensores (temperatura, humedad, radiación y Ph) tienen comunicación directa con el sistema arduino + LoRa shield, a esto se le determina como “NODO”; el nodo envía los datos a través de comunicación LoRa hacia el respectivo Gateway (concentrador).

El Gateway envía los datos de cada nodo (tres nodos) a un servidor público llamado “thingspeak”, este servidor cuenta con un “id” y “canal id” para determinar que nodo está enviando la información.

La información que se encuentra en cada canal se enlaza a través de un “API key” el cual permite realizar la implementación en el programa Visual Studio de un Web Service. Se diseña una Base de Datos relacional en SQL server, donde se almacenan los datos de forma ordenada para su posterior procesamiento, por medio de procedimientos almacenados en SQL server se realiza el respectivo tratamiento de la información que se va a graficar en el aplicativo web (Estadísticas, alertas, datos de sensores para cada nodo). El aplicativo web posee una interface agradable al usuario permitiendo visualizar la información de los sensores de cada nodo, estadísticas en tiempo real y alertas cuando las medidas no están dentro de los parámetros que se pueden establecer mediante el mismo aplicativo.

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Abstract

This paper consists in the theoretical-practical development of a prototype IoT solution for the monitoring of agricultural crops, implementing a new technology in the IoT sector "LoRa", the account with low energy consumption and long distance 8Km in line of sight ) between the transmitting device and the receiver of the device, in order to know the physical variables that directly enter the process of a culture through a website.

The acquisition of data from the sensors (temperature, humidity, radiation and Ph) have direct communication with the arduino system + LoRa shield, a this is determined as "NODE"; the node sends the data through LoRa communication to the respective Gateway (hub).

The Gateway sends the data of each node to a public server called "thingspeak", this server has an "id" and "channel id" to determine which node is sending the information.

The information found in each channel is connected through an "API key" that allows the implementation in the Visual Studio program of a Web Service. A relational database is designed in SQL Server, where the data is stored in an orderly manner for further processing, by means of stored procedures in SQL Server the respective processing of the information that is graphed in the web application is performed (Statistics, alerts, sensor data for each node). The web application has a suitable interface for the user that allows to visualize the information of the sensors of each node, real-time statistics and alerts when the measurements are not within the parameters that can be established by the same application.

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Tabla de contenido

1.1 Planteamiento del problema 1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General 1.2.2 Objetivos Específicos 1.3 Estado del arte

2. Marco Teórico

2.1 IoT (internet de las cosas)

2.2 LoRa (Especificaciones técnicas) 2.3 LoRa (Ventajas)

2.4 Clasificación de dispositivos LoRa 2.5 LoRa Dragino (Shield)

2.5.1 Semtech 1276 "LoRa" 2.6 Arduino

2.7 Variables físicas 2.7.1 Humedad 2.7.2 Temperatura 2.7.3 Radiación UV 2.7.4 Ph

2.8 Gateway

2.8.1 Dragino LG-01S 2.9 Web service

2.10 Servidor Web

2.10.1 Servidor Web "Thingspeak" 2.11 Microsoft Visual Studio

2.12 Base de datos

2.13 Cultivos agrícolas (Fresas) 2.13.1 Condiciones climatológicas 2.13.2 Suelo

2.13.3 Ciclo fenológico del cultivo 2.13.4 Actividades del cultivo 3. Metodología e implementación

3.1 Arquitectura IoT

3.2 Criterios en selección de tecnología

3.2.1 Criterios en selección de tecnología unidad de control 3.2.1.1 Comparación tecnológica unidad de control 3.2.2 Comparación tecnológica Lpwans

6 3.3.1 LoraWan

3.3.2 Factor de dispersión (sf) 3.3.3 Trama de comunicaciones 3.4 Sensores

3.4.1 Comparación tecnológica de sensores 3.4.2 Adquisición de datos

3.5 Configuración de la red LoRa 3.6 Gateway Dagino LG-01

3.6.1 Ventajas de Gateway

3.6.2 Configuración del Gateway con cada nodo 3.7 Modelo de conexión de datos

3.8 Servidor ThingsSpeak

3.8.1 API de la lectura thinkgspeak 3.9 Web Service

3.10 Base de Datos

3.11 Procesamiento de la Información 3.12 Modelo de conexión

3.12.1 Aplicativo Web

4. Resultados, análisis y obtención de Datos 4.1 Hardware

4.2 Sensores

4.3 Comunicación LoRa 4.3.1 Longitud de onda

4.3.2 Perdidas por propagación 4.4 Gateway

4.5 Aplicativo WEB

4.5.1 Obtención de los datos del servidor thingspeak 4.5.2 Tratamiento de los datos

4.5.3 Alertas 5. Conclusiones 6. Bibliografía

Lista de Figuras

Fig 2. Sistema inalámbrico para detección de amenzas, con notificación en tiempo real Fig 3. Sistema “cloud” para lectura y analisis de los datos.

Fig 4. Modulo inalámbrico LoRa en una topologia de red malla. Fig 5. Estructura del sistema inalámbrico

7 Fig 7. Estructura básica red LoRa

Fig 8. Lora shield para arduino Fig 9. Transceptor SX1276 Fig 10. Arduino uno

Fig 11. Sensor de humedad de tierra para arduino

Fig 12. Sensor de temperatura para superficies terrestres y ambientales Fig 13. Sensor de radiación UV

Fig 14. Sensor de PH con adecuación de circuito Fig 15. Gateway Dragino LG-01S

Fig 16. Resumen del sistema LG-01S Fig 17. Modelo cliente/servidor Fig 18. Servidor WEB Thingspeak Fig 19.Etapas desarrollo cultivo de fresas Fig 20. Distribución calendario cultivo de fresas Fig 21. Características tipo de fresa

Fig 22.Arquitectura sistemas IoT

Fig 23.Microcontroladores de 8 bits – M68HC05 MOTOROLA Fig 24.Microcontroladores de 8 bits – ATMEL

Fig 25.Comparación microcontroladores MICROCHIP Fig 26.Comparación tecnológica entre ARDUINOS Fig 27. Arquitectura sistema LoRa

Fig 28. Relación velocidad/distancia Fig 29. Estructura PHY Uplink Fig 30. Estructura PHY Uplink Fig 31. Replica en la trama de datos

Fig 32. Error en la trama de comunicaciones

Fig 33. Protocolo de capa de control de acceso a medios Fig 34. Circuito para la adquisición de datos de los sensores Fig 35. Nodos con los “Id” correspondientes

8 Fig 37. Conexión datos con arduino + LoRa shield. Fig 38. Código detección de errores

Fig 39. Código adquisición de datos (temperatura) Fig 40. Código adquisición de datos (humedad) Fig 41. Modelo SPI

Fig 42. Configuración parámetros base Arduino + LoRa Shield Fig 43. Configuración “Id” LoRa Shield

Fig 44. Configuración Gateway

Fig 45. Acceso a internet a través de la red LAN Fig 46. Configuración gateway con arduino Fig 47. Código configuración nodo con gateway Fig 48. Channel “Id” y “api key”

Fig 49. Componentes modelo cliente servidor Fig 50. Modelo de conexión de datos

Fig 51.Comparación entre servidores web Fig 52.Canales del servidor ThingsSpeak

Fig 53. Clave de escritura para cada canal del servidor ThingsSpeak Fig 54. Línea de código solicitud HTTP

Fig 55. Diagrama casos de uso procedimiento de obtención y almacenamiento de los datos Fig 56. Diagrama relacional de la base de datos

Fig 57. Diagrama de casos de uso del aplicativo web. Fig 58. Inicio y sección de estadístico en el aplicativo web Fig 59. Pestaña alertas aplicativo web

Fig 60. Pestaña Temperatura aplicativo web Fig 61. Pestaña Parámetros aplicativo web Fig 62. Caja de protección para nodos en terreno Fig 63. Circuito adquisición de datos

Fig 64. Sensor de humedad y temperatura después de estar en terreno Fig 65. Distancia nodos con el Gateway, pruebas en terreno

9 Fig 67. Antena sigfox 3dbi ganancia

Fig 68. Coordenadas de transmisión Gateway Fig 69. Estadísticas tomadas del aplicativo

Fig 70. Código obtención de datos del servidor Thingspeak

Fig 71. Muestra tomada para el nodo 2 en el sensor de temperatura. Fig 72. Gráfica promedio de muestras de tiempo de respuesta aplicativo.

Lista de Tablas

Tabla 2. Tasa de bits equivalente con respecto a la sensibilidad Tabla 3. Estructura PHY de mensajes de uplink

Tabla 4. Estructura PHY de mensajes de downlink Tabla 5. Tipos de mensaje MAC

Tabla 6. MAC Payload Tabla 7. Esquema FHDR

Tabla 8. Comparación tecnológica sensores de temperatura Tabla 9. Consumo de corriente por cada Nodo

Tabla 10.Prueba distancia sin línea de vista Tabla 11.Prueba distancia máxima

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Capítulo 1

1.

Introducción

El sector agropecuario representa para Colombia una cifra importante del producto interno bruto (PIB), con una tendencia de crecimiento anual según el Plan Nacional de Desarrollo que busca la expansión de las tierras cultivables, fomentando la generación de empleo e incremento de ingresos para para las zonas rurales y el país en general.

Son evidentes la variedad de problemas que acogen este medio, entre los que se encuentran la falta de técnicas, alta exposición a la competencia sin preparación, tasas de interés por encima de las que se rigen para el sector urbano y el rezago tecnológico, que afectan en mayor parte a los pequeños productores. Estas problemáticas generan altos costos y baja producción en comparación a los sistemas de agricultura que cuentan con asistencia técnica y la implementación de ayudas tecnológicas.

En pro de transformar la industria agropecuaria colombiana e impulsar el desarrollo del sector, se hace necesario la implementación de un prototipo de solución IoT, capaz de monitorear la variables físicas que afectan los cultivos, con el fin de aumentar la producción y disminuir las pérdidas que se presentan en la siembra de productos.

El proyecto se desarrolla en varias secciones las cuales permiten conocer su estudio, desarrollo y aplicación; sección uno: se presenta el problema del cual se quiere dar solución, este abarca una justificación por la que es importante desarrollar proyectos innovadores en este sector.

Sección dos: en este se presenta el estudio que complementa el desarrollo del proyecto, observando las tecnologías que se implementan y permiten dar un óptimo desarrollo del proyecto

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1.1

Planteamiento del Problema y Justificación

Los cultivos agrícolas en Colombia presentan una fuerte vulnerabilidad ante diferentes condiciones físicas a las que están expuestos, generando aumento en los costos de producción y menor calidad en los productos finales. La falta de tecnificación y control junto con la brecha tecnológica en los cultivos son las principales causas que conllevan a la mayoría de problemáticas del sector agrícola.

Los altos costos de los sistemas tecnológicos, dificultan la implementación de los mismos y en mayor parte para los pequeños productores que no poseen los recursos suficientes para tecnificar sus cultivos.

El diseño de un prototipo que permita realizar el monitoreo de las variables físicas basado en tecnología LoRa, con características como la distancia de cobertura y escalabilidad, logra ser accesible tanto para las grandes industrias como para para la mayoría de los agricultores, pues su versatilidad permite que un mismo sistema pueda ser usado por diferentes agricultores con cultivos adyacentes.

El desarrollo e implementación de este proyecto pretende dar un informe en tiempo real del estado del cultivo, optimizando el tiempo del agricultor y permitiendo tomar decisiones oportunamente, que aumenten la productividad y la calidad del cultivo, generando así mayores ingresos en los cultivos en los que se realice la implementación del prototipo.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un prototipo de solución IoT con tecnología “LoRa” para el monitoreo de cuatro variables físicas (humedad, temperatura, pH y radiación uv) con un aplicativo web en un cultivo de fresas.

1.2.2 Objetivos Específicos

● Diseñar e implementar un circuito para la adquisición de los datos entregados por los sensores de humedad, temperatura, pH y radiación uv.

● Implementar una red LoRa con topología en estrella para tres nodos de medición mediante un Gateway que se comunique con la base de datos.

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1.3 Estado del Arte

Existen ya varios proyectos para el sector agrícola implementando IoT con varias tecnologías inalámbricas, los cuales se hacen necesarios mencionar los resultados alcanzados en ellos como base para esta investigación, además hay diversas referencias relacionadas con la tecnología que se desea implementar y distintas metodologías que deben ser también tomadas en cuenta durante el proceso de desarrollo de esta propuesta. A continuación se relacionan aquellos proyectos cuyos resultados se consideraron de mayor relevancia.

1.3.1 Evaluación de LoRa y LoRaWAN para redes de sensores inalámbricos

LoRa es una nueva tecnología inalámbrica de banda ISM diseñada para aplicaciones de bajo consumo, sin licencia y de largo alcance. LoRaWAN es un protocolo de red de área extensa que incorpora tecnología LoRa a una infraestructura en red. El rendimiento en interiores y exteriores de estas tecnologías, la capa física inalámbrica y multi-gateway amplia red de esta área, se evaluó en todo el distrito central de negocios (CBD) de la ciudad de Glasgow (Escocia). Los resultados indicaron que esta tecnología puede ser un enlace fiable para aplicaciones de teledetección de bajo costo.(Wixted et al., 2017)

1.3.2 IOT en aplicaciones de agricultura de precisión utilizando una red inalámbrica para sensores de humedad.

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de humedad del medio alcanzan un valor predefinido. La prueba muestra que hay un ahorro promedio de 1.500 ml por día por árbol. (Mat, Kassim, & Harun, 2015)

Fig 1. Implementacíon de la red basada en WMSN (Mat et al., 2015)

1.3.3 Red de sensores inalámbricos de bajo costo para agricultura de precisión.

Las redes inalámbricas de sensores pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones. Los requisitos de costo del hardware existente de la red de sensores inalámbricos impiden su uso en la agricultura, se requiere que las redes de sensores cuesten para ser optimizadas para que sea asequible para los agricultores. Este artículo discute la implementación de una red de sensores inalámbricos de bajo costo para la agricultura. Utiliza el protocolo de enrutamiento de origen modificado (MSR) junto con una técnica de localización simple para el enrutamiento. El funcionamiento de MSR fue validado a través del despliegue de hardware. También se desarrolló un programa de simulación basado en la octava para la validación de la técnica de localización basada en fuente sin rango. (John, 2016)

1.3.4 Desarrollo de dispositivos inteligentes de seguridad y monitoreo basados en IoT para la agricultura

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transmitirla al usuario. Este dispositivo se puede controlar y supervisar desde la ubicación remota y se puede implementar en los campos agrícolas, almacenes de grano y almacenes frigoríficos para fines de seguridad. Este proyecto está orientado a acentuar los métodos para resolver problemas tales como la identificación de roedores, las amenazas a los cultivos y la entrega de notificación en tiempo real basada en el análisis de la información y el procesamiento sin intervención humana. En este sistema, los sensores y dispositivos electrónicos mencionados se integran utilizando scripts Python sobre la base de intentos de casos de prueba, se ha alcanzado un éxito en el 84,8% de los casos de prueba. (John, 2016)

Fig 2. Sistema inalámbrico para detección de amenzas, con notificación en tiempo real (John, 2016)

1.3.5 Diseño e implementación de un esquema basado en IoT con plataforma cloud para los sistemas agrícolas

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Fig 3.Sistema “cloud” para lectura y analisis de los datos. (Baranwal et al., 2016)

1.3.6 Automatización remota para agricultura con conexión inalámbrica e infraestructura de puerta de enlace IoT

El proyecto presenta una arquitectura de sistemas para la automatización de procesos de agricultura remota, que incluye sensores y actuadores conectados al Gateway IoT que ejecuta el servidor OPC UA. Los sensores y actuadores son muy generales y no necesitan ninguna inteligencia relacionada con el proceso bajo control. El procesamiento de datos adquiridos y los algoritmos de control que producen estímulos de control se ejecutan en la pasarela. Este enfoque ofrece la ventaja de posibilidades convenientes para cambiar las reglas de control de los servicios en la nube (instalación o configuración del controlador de proceso) sin actualizar el firmware de los sensores / actuadores remotos. El rendimiento del canal de recolección de datos (radio de largo alcance) y el rendimiento de la pasarela IOT son factores limitantes para el control en tiempo real o la observación de los procesos agrícolas. Por lo tanto, el canal alcanzable "sensores-OPC servidor UA" de rendimiento se investiga experimentalmente. Se identifican las posibles aplicaciones de la agricultura que pueden beneficiarse de la arquitectura propuesta.(Nakutis et al., 2016)

1.3.7 Módulo de red inalámbrica LoRa para monitoreo a escala de campus

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relación de entrega de paquetes sin necesidad de instalar pasarelas adicionales de LoRa. Este proyecto presenta el diseño de un módulo de red con topología “malla”, para aplicaciones IoT (por ejemplo, recolección de datos de sensores múltiples y ampliamente distribuidos en un campus universitario). Se despliegan 19 dispositivos de red en topología “malla” los cuales son distribuidos en un área de 800m por 600m en el campus para servir como puerta de enlace y recopilar datos a intervalos de un minuto. Los resultados muestran que el módulo LoRa con topología de red “malla” alcanza una proporción de entrega de paquetes de 88,49% (PDR), mientras que el LoRaWAN en la topología de red en estrella sólo fue 58.7% bajo las mismas condiciones. (Ke, Liang, Zeng, Lin, & Lee, 2017)

Fig 4. Modulo inalámbrico LoRa en una topologia de red malla.(Ke et al., 2017)

1.3.8 Sistema de monitoreo de ambiente invernadero de agricultura inteligente basado en tecnología IOT

En los últimos años, la tecnología de invernadero en la agricultura tiende a realizarse con automatización, la dirección de la tecnología de la información con el IOT (Internet de las cosas) y la tecnología de desarrollo rápido con una amplia aplicación. Este proyecto presenta el dispositivo CC2530 como el núcleo, el cual muestra el diseño y la aplicación de la agricultura en un sistema de monitoreo de ambiente de invernadero basado en la tecnología ZigBee, el sensor inalámbrico y nodos de control se hacen con el dispositivo CC2530F256 para controlar los datos del medio ambiente.

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Fig 5. Estructura del sistema inalámbrico

1.3.9 El desarrollo de IOT basado en tecnología LoRa: Una evaluación de desempeño en LoS y NLoS en la banda ISM (frecuencia 915Mhz)

En el proyecto se ha desarrollado un prototipo basado en tecnología LoRa aplicando el término de Internet de Cosas (IoT) para soportar la medición remota de temperatura en la frecuencia de 915 MHz. El dispositivo está estructurado por un sensor de temperatura, almacenamiento de memoria, procesamiento de datos y visualización de datos utilizando Cloud Server en el Navegador Web. El rendimiento se evalúa mediante ensayos de campo LoS y NLoS de potencia de transmisión de 14 dBm. Mediante el uso de la plataforma IoT de LoRa, los dispositivos finales con bajo consumo de energía conectados a pasarelas, realizarán una transmisión de datos más eficiente a otros dispositivos y servidores de red. Se realizan ensayos de campo en la línea de vista (LoS) y la condición de NLoS en el área circundante del campus de la Universidad de Indonesia.

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Capítulo 2

2. Marco Teórico

2.1 IoT (Internet de las cosas)

Se basa en la interconexión de cualquier producto con cualquier otro de su alrededor. El objetivo es hacer que todos estos dispositivos se comuniquen entre sí y, por consiguiente, sean más inteligentes e independientes. Para ello, es necesario el empleo del protocolo IPv6 y el desarrollo de numerosas tecnologías que actualmente están siendo diseñadas por las principales compañías del sector.

Actualmente grandes multinacionales como Cisco y Microsoft desarrollan y ofrecen múltiples aplicaciones como las siguientes:

● soluciones de transporte inteligentes acelerando los flujos de tráfico, reduciendo el consumo de

combustible, teniendo como prioridad salvar vidas.

● redes eléctricas inteligentes se conectan de manera más eficiente los recursos renovables,

mejorando la fiabilidad del sistema.

● sensores de control en máquinas de diagnóstico, con el fin de predecir problemas.

● Sistemas basados en datos en la infraestructura de "ciudades inteligentes", así es más fácil para

los municipios para ejecutar la gestión de residuos, la policía y otros programas de manera más eficiente.

● Sistemas que permitan monitorear variables ambientales(“Internet of Things (IoT) | Microsoft,”

n.d.),(“Internet de las cosas (IoT) - Cisco,” n.d.)

2.2 LoRa (especificaciones técnicas)

A continuación se describen las especificaciones técnicas de la tecnología LoRa, detallando este sistema como solución IoT para las múltiples aplicaciones:

– Tecnología inalámbrica de bajo consumo – Alta sensibilidad, hasta -146dBm

– Baja potencia de emisión, hasta 20dBm sin Amplificador. – Enlaces de hasta 166dBm, largo alcance en bandas sin licencia. – Bidireccional.

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– Alta inmunidad a interferencias. Excelente IIP3 (producto de intermodulación de tercer orden). – Blocking inmunity según ETS 300 220 de hasta 100dB.

– Códigos ortogonales, permite la convivencia de diferentes comunicaciones en el mismo tiempo. – Bajo consumo 10 mA en recepción con modos de recepción en “Low dutty cycle”

– Rango de frecuencia desde 137 hasta 960MHz, siendo posible sintetizar cualquier frecuencia.(depende del dispositivo)

2.3 LoRa (ventajas)

LoRa: La plataforma inalámbrica de largo alcance y de bajo consumo es la opción tecnológica predominante para la construcción de redes IoT en todo el mundo. Esta tecnología emplea espectros de frecuencia de uso público en la banda ISM (como el WiFi y Bluetooth), utiliza una modulación de espectro ensanchado en la banda menor al Ghz lo que permite largo alcance con distancias mayores a 10 Kilómetros, con alta capacidad de nodos (mayores a 100 nodos).

Las aplicaciones inteligentes de IoT han mejorado la forma en la que se interactúan abordando algunos de los mayores desafíos que enfrentan las ciudades y comunidades: cambio climático, control de la contaminación, alerta temprana de desastres naturales y salvar vidas. Las empresas se benefician también, a través de mejoras en las operaciones y la eficiencia.

Es por eso que en esta tecnología el resultado es un sistema de comunicación de largo alcance muy eficiente permitiendo comunicaciones con equipos a batería.

En la figura 6se observa el planteamiento de la tecnología LoRa

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2.4 Clasificación de dispositivos LoRa

LoRa tiene varias clases diferentes de dispositivos de punto final para atender las diferentes necesidades reflejadas en la amplia gama de aplicaciones:

• (Clase A) dispositivos finales bidireccionales: Los dispositivos finales de la Clase A permiten comunicaciones bidireccionales mediante las cuales la transmisión ascendente (uplink) de cada dispositivo final es seguida por dos ventanas cortas de recepción del enlace descendente (downlink).

• (Clase B) dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas: Además de las ventanas de recepción aleatoria de clase A, los dispositivos de clase B abren ventanas de recepción adicionales en horarios programados. Para que el dispositivo final abra su ventana de recepción a la hora programada, recibe una trama sincronizada en el tiempo desde la puerta de enlace. Esto permite al servidor saber cuándo el dispositivo final está activo.

• (Clase C) dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción máximas: Los dispositivos finales de la Clase C tienen ventanas de recepción abiertas casi continuamente, cerradas solamente al transmitir. [12]

En la figura 7se puede observar la estructura básica de una red LoRa

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2.5 Lora Dragino (Shield)

El LoRa Shield se encuentra catalogado en los dispositivos clase C deLoRa para atender las diferentes necesidades reflejadas en la amplia gama de aplicaciones, este Shield es un transceptor de largo alcance que funciona para el sistema Arduino y se basa en la biblioteca de código abierto. El Shield permite al usuario enviar datos y alcanzar rangos extremadamente largos a bajas tasas de datos. Proporciona comunicación de amplio alcance de espectro extendido y alta inmunidad a interferencias.

Basado en el chip Semtech SX1276 / SX1278, se dirige a aplicaciones profesionales de red de sensores inalámbricos, como sistemas de riego, medición inteligente, ciudades inteligentes, detección de teléfonos inteligentes, automatización de edificios, etc.

Usando la técnica de modulación LoRaTM patentada de Hope RF, el Dragino Shield con tecnología LoRa puede alcanzar una sensibilidad de más de -148dBm utilizando un cristal y una lista de materiales de bajo costo. La alta sensibilidad combinada con el amplificador de potencia integrado de +20 dBm produce un presupuesto de enlace líder en la industria que lo hace óptimo para cualquier aplicación que requiera rango o robustez.

Especificaciones técnicas:

● Compatible con 3.3v o 5v I / O Arduino Board.

● Banda de frecuencia: 915 MHZ / 868 MHZ / 433 MHZ (Preconfiguración en fábrica) ● Bajo consumo de energía

● Compatible con Arduino Leonardo, Uno, Mega, DUE

● Antena externa a través del conector I-Pex(“LoRa Shield for Arduino,” n.d.) En la figura 8 se observan las características principales de este Shield.

22 2.5.1 Semtech 1276 “Lora”

Los transceptores SX1276 / 77/78/79 cuentan con el integrado de largo alcance LoRa que proporciona comunicación de espectro extendido de ultra largo alcance y alta inmunidad a la interferencia, al tiempo que minimiza el consumo de corriente.

Especificaciones técnicas:

● Presupuesto de enlace máximo de 168 dB.

● +20 dBm - 100 mW de salida de RF constante vs. ● +14 dBm de alta eficiencia PA.

● Velocidad de bits programable de hasta 300 kbps. ● Alta sensibilidad: hasta -148 dBm.

● Parte delantera a prueba de balas: IIP3 = -12.5 dBm. ● Excelente inmunidad de bloqueo.

● Corriente RX baja de 10,3 mA, 200 nA de retención de registro. ● Sintetizador totalmente integrado con una resolución de 61 Hz. ● Modulación FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM y OOK. ● Sincronizador de bits incorporado para la recuperación del reloj. ● 127 dB Dynamic Range RSSI.

● Sensores de RF automáticos y CAD con AFC ultrarrápido.

● Paquete de motor de hasta 256 bytes con CRC.(Brazil & Campaigns, n.d.)

En la figura 9 se observa el transceptor SX1276

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2.6 Arduino

Es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se programa usando el Arduino Programming Language (basado en Wiring) y el Arduino Development Environment (basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser autónomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.).

Las placas se pueden ensamblar a mano o encargarlas pre ensambladas; el software se puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades.

 Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto, disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerias C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres.

 Código abierto y hardware extensible: El Arduino está basado en microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo, extendiéndolo y mejorándolo. Incluso usuarios relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo para entender cómo funciona y ahorrar dinero.(“¿Qué es Arduino? ~ Arduino.cl,” n.d.)

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2.7 Variables físicas

Las variables físicas de rendimiento en un cultivo agrícola son aquellas que cumplen una condición directa sobre cada una de las plantas y el entorno de las mismas, es así que se hace necesario realizar una medición sobre los datos meteorológicos del ambiente tales como la temperatura, humedad, radiación solar, pH, así mismo se requieren de dispositivos que permitan interpretar los datos que se da en cada una de estas.

2.7.1 Humedad

Existen varios tipos de humedad, para este caso se habla de la humedad del suelo, es así que la humedad del suelo es la cantidad de agua por volumen de tierra que hay en un terreno. Su medición exacta se realiza gravimétricamente, pesando una muestra de tierra antes y después del secado. Esta es de gran importancia debido a que el agua constituye un factor determinante en la formación, conservación, fertilidad y productividad del mismo, así como para la germinación, crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas. (Sevruk, 1992)

El dispositivo para realizar la medición correspondiente a esta variable es un sensor de humedad el cual mide la humedad relativa en un área dada, este sensor tiene las siguientes características:

● Voltaje de entrada: 3.3 – 5 VCD ● Voltaje de salida: 0 ~ 4.2 V ● Corriente: 35 mA

● VCC: Tensión de alimentación ● GND: Tierra

● A0: Salida analógica que entrega una tensión proporcional a la humedad. Puede ser medida directamente desde un puerto analógico en un microcontrolador, con Arduino, CI, etc.

● D0: Salida digital; este módulo permite ajustar cuándo el nivel lógico en esta salida pasa de bajo a alto mediante el potenciómetro.

Aplicando una pequeña tensión entre los terminales del módulo YL-69 hace pasar una corriente que depende básicamente de la resistencia que se genera en el suelo y ésta depende mucho de la humedad. Por lo tanto al aumentar la humedad la corriente crece y al bajar la corriente disminuye.

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Este último presenta 2 pines de conexión hacia el módulo YL-69, 2 pines para la alimentación y 2 pines de datos. VCC, GND, D0, A0.(“Sensor de humedad del suelo YL38 y YL69 – Talos Electronics,” n.d.)

Fig 11. Sensor de humedad de tierra para arduino(“Sensor de humedad del suelo YL38 y YL69 – Talos Electronics,” n.d.)

2.7.2 Temperatura

La temperatura del suelo influye de manera significativa en la aparición de los brotes y el crecimiento de las plantas. Por ejemplo, si la temperatura del suelo aumenta, las reacciones químicas suceden más rápido y se acelera la germinación de las semillas. Los agricultores utilizan los datos de temperatura del suelo para predecir cuándo conviene cultivar. Comprender el calentamiento y enfriamiento de los suelos ayuda a predecir la duración de los periodos de crecimiento de las plantas, el tipo de plantas y animales que pueden vivir en ese suelo, y el aporte de humedad a la atmósfera. La cantidad de humedad en el suelo influye en la velocidad a la que el suelo se enfría y se calienta. Suelos húmedos se calientan más lentamente que los suelos secos porque el agua en los poros entre las partículas absorbe más calor que el aire. (GOBLEX, 2005) Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo eléctrico o electrónico. El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor, el recubrimiento que lo envuelve y que está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico. (Semiconductor & Check, n.d.)

26 2.7.3 Radiación UV

Si bien la radiación ultravioleta-B comprende una pequeña región del espectro electromagnético, su acción sobre plantas y animales es considerable. Esto principalmente debido a que importantes biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos, por presentar electrones n la absorben fuertemente. Numerosos son los efectos atribuibles a esta radiación, la cual ha estado desde siempre presente en el ambiente.

Para que la radiación UV sea interceptada y produzca alteraciones en la fisiología de la planta debe penetrar en la hoja y ser absorbida por cromóforos o moléculas susceptibles al efecto dañino de esta radiación. Por lo tanto, los cambios morfológicos y anatómicos que son inducidos por la radiación UV pueden llegar a ser determinantes en las respuestas de las distintas especies vegetales sometidas a un aumento de este tipo de radiación.(Semiconductor & Check, n.d.)

Los sensores de luz ultravioleta basados en la luminiscencia de los materiales permiten resolver en la industria múltiples aplicaciones, donde los sensores fotoeléctricos convencionales no funcionan y el coste de un equipo de visión no es asumible. La luz ultravioleta cubre el espectro desde los 380mm a los 220mm y estos sensores luminiscentes utilizan la región de los 320mm a los 380mm, conocida como "near ultraviolet" o luz negra. (“Sensor de luz ultravioleta (UV) - Sensors Tecnics, Honeywell,” n.d.)

Fig 13.Sensor de radiación UV (“Sensor de luz ultravioleta (UV) - Sensors Tecnics, Honeywell,” n.d.)

2.7.4 Ph

El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias.

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medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel (mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que queremos medir el pH.

La varita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio polarizable (vidrio sensible de pH). (“Sensor analógico de pH,” n.d.)

Fig 14. Sensor de PH con adecuación de circuito (“Sensor analógico de pH,” n.d.)

2.8 Gateway

Un Gateway (puerta de enlace) es un dispositivo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas diferentes a todos los niveles de comunicación. Su propósito es traducir la información del protocolo utilizado en una red al protocolo usado en la red de destino.

Una puerta de enlace o Gateway es normalmente un equipo informático configurado para hacer posible a las máquinas de una red local (LAN) conectadas a él de un acceso hacia una red exterior, generalmente realizando para ello operaciones de traducción de direcciones IP (NAT: Network Address Translation). Esta capacidad de traducción de direcciones permite aplicar una técnica llamada IP Masquerading (enmascaramiento de IP), usada muy a menudo para dar acceso a Internet a los equipos de una red de área local compartiendo una única conexión a Internet, y por tanto, una única dirección IP externa. (“Todo-Redes,” n.d.)

2.8.1 Dragino LG-01S

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LG01-S tiene una interfaz WiFi, un puerto Ethernet y un puerto host USB. Estas interfaces proporcionan métodos flexibles para que los usuarios conecten sus redes de sensores a Internet.

LG01-S ejecuta el sistema Open Source OpenWrt, el usuario puede modificar libremente el archivo fuente o compilar el sistema para admitir sus aplicaciones personalizadas.

Fig 15. Gateway Dragino LG-01S (“Todo-Redes,” n.d.)

Especificaciones técnicas:

● Sistema de código abierto OpenWrt ● Bajo consumo de energía

● Actualización de firmware a través de la Web ● Software actualizable a través de la red ● Aprovisionamiento automático

● Servidor web incorporado

● Gestionado por Web GUI, SSH a través de LAN o WiFi ● Soporte WiFi AP, cliente o Ad-Hoc (Mesh) modo ● Conexión a Internet a través de LAN, WiFi, 3G o 4G ● El diseño a prueba de fallas proporciona un sistema robusto ● Arduino IDE compatible. Fácil de programar.

● Banda LoRa disponible a 433/868/915/920 Mhz

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Fig 16.Resumen del sistema LG-01S(“Todo-Redes,” n.d.)

2.9 Web service

El término Web Services describe una forma estandarizada de integrar aplicaciones WEB mediante el uso de XML, SOAP, WSDL, JSON y UDDI sobre los protocolos de la Internet. XML es usado para describir los datos, SOAP se ocupa para la transferencia de los datos, WSDL se emplea para describir los servicios disponibles, JSON es un formato de intercambio ligero que al igual que el XML puede ser leído fácilmente y es independiente de la plataforma, está basado en sub-conjunto de JavaScript por esta razón puede ser convertido a JavaScript rápidamente y por lo tanto es ideal para aplicaciones Web basadas en AJAX, pero la ventaja de JSON sobre AJAX es que es capaz de representar la misma información en un formato más ligero que el XML y por lo tanto es más rápido de transportar y consume menos ancho de banda. UDDI se ocupa para conocer cuáles son los servicios disponibles. Uno de los usos principales es permitir la comunicación entre las empresas y entre las empresas y sus clientes. Los Web Services permiten a las organizaciones intercambiar datos sin necesidad de conocer los detalles de sus respectivos Sistemas de Información. (“Todo-Redes,” n.d.)

Ventajas de los Web Services

Entre las ventajas más importantes que ofrecen los WebServices se pueden citar: - Ofrecen una “tecnología distribuida de componentes” optimizada.

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- Permiten una invocación sencilla de métodos, mediante SOAP.

- Los clientes o “consumidores de servicios” pueden estar en cualquier plataforma (basta con que soporten XML/SOAP, incluso puede sustituirse SOAP por HTTP).

- Permiten centralizar los datos, independientemente de si los WebServices están distribuidos o no.(Besteiro & Clases, n.d.)

2.10 Servidor Web

Un servidor Web es un programa que utiliza HTTP (Hypertext Transfer Protocol) para servir los archivos que forman páginas Web a los usuarios, en respuesta a sus solicitudes, que son reenviados por los clientes HTTP de sus computadoras. Las computadoras y los dispositivos dedicados también pueden denominarse servidores Web.

El proceso es un ejemplo del modelo cliente / servidor como se muestra en la Figura 16. Todos los equipos que alojan sitios Web deben tener programas de servidor Web. Los principales servidores Web incluyen Apache (el servidor Web más conocido e instalado), Internet Information Server ( IIS ) de Microsoft y nginx (pronunciado motor X ) de NGNIX. Otros servidores Web incluyen el servidor NetWare de Novell, el servidor web de Google (GWS) y la familia de servidores Domino de IBM.(“Que es un servidor WEB? - Aprende sobre desarrollo web | MDN,” n.d.)

Fig 17.Modelo cliente/servidor(“Que es un servidor WEB? - Aprende sobre desarrollo web | MDN,” n.d.)

Los servidores web a menudo forman parte de un paquete más amplio de programas relacionados con Internet e intranet para servir correo electrónico, descargar solicitudes de archivos de Protocolo de transferencia de archivos ( FTP ) y crear y publicar páginas Web.

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características de seguridad y las herramientas particulares de publicación, el motor de búsqueda y la construcción de sitios que vienen con él.(“Qué es un Servidor Web: Definición Completa (Paso a Paso),” n.d.)

2.10.1 Servidor Web “Thingspeak”

ThingSpeak, la primera solución abierta para los productos y servicios del Internet de las Cosas. Al igual que WordPress permite a la gente crear blogs fácilmente, ThingSpeak permite a los desarrolladores interactuar con los dispositivos utilizando tecnologías Web estándar. ThingSpeak puede funcionar, bien a través de un servicio gratuito de host, o bien, en servidores personales.

Algunos aspectos de la plataforma ThingSpeak incluyen registro, procesado y distribución de la información, servicios basados en la localización, actualizaciones de estado, integración con redes sociales, aplicaciones y plugins.

Según Hans Scharler, presidente de software en ioBridge, su objetivo es eliminar algo de misterio acerca de conectar dispositivos a la Web. Además, añade que todo el mundo está discutiendo sobre la Web de las Cosas como si fuera algo futuro, pero es ya una realidad gracias a los dispositivos móviles actuales, con los que interactuamos socialmente y con la Web.(“ThingSpeak: Plataforma Open Source Platform para conectar productos y servicios | Observatorio IoT Spain,” n.d.)

Fig 18. Servidor WEB Thingspeak(“ThingSpeak: Plataforma Open Source Platform para conectar productos y servicios | Observatorio IoT Spain,” n.d.)

2.11 Microsoft Visual Studio

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uso. Estas herramientas están diseñadas para trabajar juntas de la forma más eficiente posible y todas se exponen a través del Entorno de desarrollo integrado (IDE) de Visual Studio.

Puede usar Visual Studio para crear muchos tipos de aplicaciones, desde sencillas aplicaciones y juegos de la Tienda para clientes móviles, hasta sistemas grandes y complejos para empresas y centros de datos. Puede crear

1. aplicaciones y juegos que se ejecutan no solo en Windows, sino también en Android y en iOS. 2. sitios web y servicios web basados en ASP.NET, JQuery, AngularJS y otros entornos populares. 3. aplicaciones para dispositivos y plataformas tan diversas como Azure, Office, Sharepoint,

Hololens, Kinect e Internet de las cosas, por nombrar solo algunos ejemplos.

4. juegos y aplicaciones con gráficos avanzados para una variedad de dispositivos Windows, incluido Xbox, con DirectX.

5. Desarrolla e implementar bases de datos de SQL Server y Azure SQL fácilmente.

De forma predeterminada, Visual Studio proporciona compatibilidad con C#, C y C++, JavaScript, F # y Visual Basic. Visual Studio funciona y se integra bien con aplicaciones de terceros como Unity a través de la extensión Visual Studio Tools para Unity, y Apache Cordova a través de Visual Studio Tools para Apache Cordova. Puede extender Visual Studio usted mismo creando herramientas personalizadas que realizan tareas especializadas.(“IDE de Visual Studio,” n.d.)

2.12 Base de datos

Una base de datos es una herramienta para almacenar la información de forma ordenada con diferentes propósitos y usos. Las bases de datos pueden almacenar información sobre personas, productos, pedidos u otras cosas. Muchas bases de datos comienzan como una lista en una hoja de cálculo o en un programa de procesamiento de texto. El almacenamiento de la información por sí sola no tiene un valor, pero si combinamos o relacionamos la información nos puede dar valor.

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Microsoft SQL Server es un sistema de gestión de base de datos relacional (RDBMS) producido por Microsoft. Su principal lenguaje de consulta es Transact-SQL, una aplicación de las normas ANSI / ISO estándar Structured Query Language (SQL) utilizado por ambas Microsoft y Sybase.

Características de Microsoft SQL Server: • Soporte de transacciones.

• Escalabilidad, estabilidad y seguridad. • Soporta procedimientos almacenados.

• Incluye también un potente entorno gráfico de administración, que permite el uso de comandos DDL y DML gráficamente.

• Permite trabajar en modo cliente-servidor, donde la información y datos se alojan en el servidor y las terminales o clientes de la red sólo acceden a la información.

• Además permite administrar información de otros servidores de datos.(Santamaría, 2015)

2.13 Cultivos agrícolas (Fresas)

Existe una gran cantidad de especies de fresa a través del mundo. Aunque no se sabe bien su origen, se indican dos zonas de procedencia: una en Europa, específicamente de los Alpes europeos, y otra en Sur América en Chile. Para el año 2013 en Colombia se produjeron 42.453 toneladas de fresa, siendo Cundinamarca el departamento con mayor producción 22.562 ton, seguido por Antioquia con 12.545 ton, Norte de Santander con 3.360 ton, Cauca 2.808 ton y Boyacá con 542,2 ton.

2.13.1 Condiciones climatológicas

 Temperatura: Día entre 18 y 25° C, noche entre 8 y 13°C,

 Humedad: entre el 60 y 75 %

 Requerimiento hídrico: 400-600mm/ año

 Tipo de suelo: Arenoso o franco arenoso con contenido de arena superior a 50%.

 Rango de Ph: Moderadamente ácido, valores entre 5,7 y 6,5

 Luminosidad: Las variedades de día corto requieren entre 8 y 12 horas de luz.

 Radiación uv: entre el 2 a 9 puntos uv

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documentación de los mínimos y los máximos de temperatura durante el día (24 horas) para cada estación o temporada climática. Se puede prever que los picos de producción se alcanzan en las épocas del año en que la temperatura es más fría. (Altamirano 2004)

2.13.2 Suelo

La fresa se desarrolla de manera adecuada en suelos ligeramente ácidos, sueltos, aireados y bien drenados, ya que los suelos pesados limitan el desarrollo radicular.

La raíz es altamente sensible a la salinidad generando reducciones de hasta el 50% en el rendimiento de la planta. Se deben evitar suelos donde se haya cultivado antes papa, tomate, pimentón, melón, sandía y calabaza, con el fin de prevenir la propagación de enfermedades que comparten con estos cultivos.

2.13.3 Ciclo fenológico del cultivo

En Colombia es posible empezar el cultivo de la fresa en cualquier época del año. Sin embargo, es recomendable hacerlo al inicio de la época de lluvias (Cortés 2011) con el fin de asegurar la adaptación del cultivo y garantizar el desarrollo inicial. La recolección se lleva a cabo en la época seca, que coincide con la época de menor producción para destinos importadores como Países Bajos, y países exportadores como Estados unidos, México y España. La Figura 19. Sugiere al productor una distribución de las labores de siembra, mantenimiento del cultivo y cosecha desde el inicio del proceso

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Para el año (2018) es recomendable que la distribución de cosecha se realice de la forma como se observa en la figura 20.

Fig 20. Distribución calendario cultivo de fresas

El tipo de fresa a tener en cuenta es camarosa ya que presenta una alta productividad y resistencia al port-cosecha.

Fig 21. Características tipo de fresa

2.13.4 Actividades del cultivo

 Planeación: Dentro de las actividades de esta etapa se encuentran la selección, adecuación y distribución del lote. También es importante establecer la ubicación del cultivo de fresa, el mantenimiento del cultivo, la cosecha y la adecuación del producto para el mercado.

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 Propagación: La propagación tiene como objetivo mejorar las propiedades de la planta en cuanto a producción, calidad, sanidad y tamaño del fruto; es realizada en forma sexual y/o asexual

 Preparación del terreno y siembra: El terreno seleccionado debe ser preferiblemente plano o de pendiente moderada. Las labores de suelo profundas son: cincel y subsolador (para mejorar el drenaje y favorecer la oxigenación). Las labores superficiales son: formar la cama, instalar el riego e instalar la cobertura mulch (o plástico oscuro).

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Capítulo 3

3. Metodología e implementación

El diseño metodológico implementado en el proyecto permite realizar un seguimiento a los conceptos teóricos y prácticos mencionados anteriormente; es así que el hardware se compone de varios procesos los cuales se relacionan directamente con parte del software que permitirá tener los datos válidos para la lectura en el aplicativo web.

3.1 Arquitectura IoT

La arquitectura del “Internet de las Cosas” se puede estructurar conforme se observa en la figura 22, teniendo como áreas principales:

 Objetos conectados

 Tecnologías de red

 Protocolos de comunicación

 Plataforma IoT de tratamiento de datos

 Aplicaciones de usuario

Fig 22.Arquitectura sistemas IoT

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3.2 Criterios en selección de tecnología

Las tecnologías de comunicación en el IoT, han surgido como una necesidad de cubrir las carencias que presentan las tecnologías tradicionales (WiFi, 2G, 3G o 4G) al aplicarse en este sector. De este modo, se han desarrollado alrededor de este contexto las llamadas LPWAN, redes de largo alcance y bajo consumo que ofrecen las mejores capacidades a la hora de implementar una arquitectura IoT. Sus principales características son:

 Bajo consumo eléctrico de los dispositivos, por debajo de los 50 µWatts. Permite tener objetos conectados durante largos periodos de tiempo con baterías de bajo coste

 Bajo coste de conectividad

 Bajo coste en la fabricación de los dispositivos

 Grandes rangos de cobertura

Las tecnologías dentro del modelo LPWAN presentan características excelentes para un amplio rango de aplicaciones de IoT, este se caracteriza por el envío reducido de número de paquetes de información de pequeño tamaño y por la necesidad de una autonomía prolongada a la hora de sensorizar ciertas zonas, permitiendo así una independencia de la red eléctrica y una despreocupación por la recarga de los dispositivos. Estas necesidades son cubiertas y además las redes LPWAN aportan un largo alcance como valor añadido a las necesidades del IoT, disminuyendo así el número de estaciones que se necesitan para ofrecer cobertura al usuario final.

3.2.1 Criterios en selección de tecnología unidad de control

Al seleccionar un dispositivo microcontrolador hay que tener en cuenta unos parámetros base que nos puedan ayudar a complementar la solución en particular que se está optando por encontrar, es así que de este modo como base se tienen los siguientes parámetros:

 Requisitos de potencia del microcontrolador

 Selección de la arquitectura

 Cantidad de memoria de programa

 Costos y limitaciones energéticas

 Disponibilidad del dispositivo

 Compiladores y herramientas de programación

 Simulación en el ordenador

39 3.2.1.1 Comparación tecnológica unidad de control

Una comparativa de las tecnologías a nivel general se observan en la figuras 23, 24, 25 y 26, como se puede ver, las características de cada una de ellas son muy variadas.

Fig 23.Microcontroladores de 8 bits – M68HC05 MOTOROLA

Fig 24.Microcontroladores de 8 bits – ATMEL

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Fig 26.Comparación tecnológica entre ARDUINOS

3.2.2 Comparación tecnológica Lpwans

Una comparativa a nivel general de las tecnologías más importantes se pueden observar en la tabla 1. Los valores han sido obtenidos a partir de la información suministrada por los propietarios de dichas tecnologías en distintos medios. Como se puede ver, las características de cada una de ellas son muy variadas. Los enfoques varían desde tecnologías que se centran en obtener un mayor rango de cobertura a costa de perder enteros en cuanto a consumo energético, hasta tecnologías que invierten esta situación, teniendo una elevada vida útil de las baterías pero un corto alcance. Entre ellas también existen casos en los que se mantiene un equilibrio de prestaciones sin arriesgar en ningún punto de ellos (LoRa). El tercer factor a considerar es la tasa de bits, que varía desde los 100 bps hasta los 350 Mbps.

Tecnologia/ Descripción

Weightless -N

SigFox LoRa LTE-Cat M

IEEE 802.11ah

DASH7 RPMA NB-Fi

Frecuencia Sub-Ghz

ISM

868/902 Mhz ISM

433/868/78 0/915 Mhz ISM Celular License-exempt bands 1GHz 433/868/9 15Mhz ISM/SRD 2.4Ghz ISM 868Mhz

B.W 200Hz 100hz 64x125Khz/

8x125Khz

1.4Mhz 1/2/4/8/16 MHz

25Khz or 200Khz

1Mhz 100Hz

Rango 3Km

urban

10Km urban

2-5Km urban

2.5-5km Up to 1km (outdoor)

0-4km 4.6 km (urban )

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Potencia, TX nodo final

17dBm 10uw – 100mw

<+27dBm 100mw 1mw to 1w FCC/ETSI To 20dBm

14dBm

Tamaño del paquete

20 bytes 12 bytes Definido por usuario

100-1000 bytes

7990 bytes 256bytes 6-10kbytes

Definido por usuario U.L velocidad

de datos

100bps 100-140bps

900-100kbps

20kbps 150kpbs-346mbps

9.6kbps-166kbps

624kbps 10-100bps

D.L velocidad de datos No downlink 8bytes for day 900-100kbps

20kbps 150kpbs-346mbps

9.6kbps-166kbps

156kbps 10-100bps

Dispositivo por punto de acceso

Ilimitado 1M 100K 20K 8191 NA 384.000

por sector

> 1M

Topología Estrella Estrella Estrella Estrella Nodo a Nodo Estrella, arbol Estrella, arbol Estrella

Fabricante Weightless -SIG

SigFox LoRa Allience

3GPP IEEE802.1 1ah

DASH7 Allience

Ingenu Waviot

Roaming Si Si Si Si IEEE802.1

1

Si Si Si

Tabla 1. Comparación tecnologías LPWANS

3.3 LoRa “preferencia tecnológica”

La tecnología que se implementa para llevar a cabo la solución en particular, luego de haber analizado las diferentes tecnologías con las cuales se pueden trabajar como se observa en la tabla 1, es la tecnología LORA; esta tecnología permite enviar información en un rango de 2 a 5km en un ambiente urbano y de 8 a 10km en ambiente rural, con un consumo de potencia en transmisión en <+27dBm y con un tamaño de paquete programado para llevar a cabo la trasferencia de los datos.

42

Fig 27.Arquitectura sistema LoRa

La arquitectura de red LoRa utiliza una topología de estrella en la que cada nodo final se comunica con la puerta de enlace que se comunica con el servidor de red.

LoRa se compone de cuatro elementos de red:

 Los nodos finales recopilan datos de sensor, lo transmiten upstream y downstream, y reciben la comunicación desde el servidor de aplicaciones. Los dispositivos de Endpoint usan comunicación inalámbrica single-hop con el gateway

 El Gateway actúa como un puente transparente y retransmite los datos bidireccionales entre los nodos finales y los servidores upstream.

 El servidor de red se conecta a la puerta de enlace a través de una conexión TCP/IP segura, ya sea por cable o inalámbrica; elimina los mensajes duplicados; decide qué compuerta debe responder a un mensaje de nodo final; y gestiona el nodo final, las velocidades de transmisión de datos con una velocidad de datos adaptable (ADR), destinadas a maximizar la capacidad de la red y extender la vida útil de la batería del nodo final.

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3.3.1 LoraWan

Es una red de área amplia de baja potencia, utiliza la capa física LoRa y define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema, que son los parámetros determinantes del ahorro de energía en la batería de un nodo, así como también de la capacidad de la red, calidad del servicio y seguridad. LoRaWAN define el propio protocolo MAC y la arquitectura del sistema de la red y a nivel físico, en cambio es LoRa quien permite el enlace de comunicación de largo alcance. LoRaWAN puede emplear la modulación LoRa o FSK a nivel físico. El protocolo LoRaWAN toma en cuenta los requisitos clave de internet de las cosas y está optimizado para sensores de bajo coste operados con batería, es totalmente bidireccional y fue diseñado para garantizar la fiabilidad y la seguridad en la red, así como también permite localizar y rastrear fácilmente objetos móviles. LoRaWAN ha clasificado en tres clases a los nodos para optimizar la compensación entre la latencia de la red y la duración de la batería

.

3.3.2 Factor de dispersión (sf)

Al utilizar una modulación basada en técnicas de espectro ensanchado y variaciones del factor de propagación LoRaWAN presenta diferentes velocidades de trasmisión en función de la señal comprendidas entre el rango 0.3kbps y 22kbps. La red LoRaWAN será la encargada de administrar el factor de ensanchamiento utilizado y la potencia de señal de transmisión para optimizar el rendimiento y la escalabilidad

Tabla 2. Tasa de bits equivalente con respecto a la sensibilidad

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Fig 28.Relación velocidad/distancia

3.3.3 Trama de comunicaciones

En LoRaWAN se encuentran dos tipos de mensaje downlink y uplink. Los mensajes de uplink los envían los dispositivos finales (nodos) al servidor de red, utilizando el gateway como intermediario, estos mensajes utilizan el modo explícito de paquetes de radio LoRa, en el que se incluyen:

Tabla 3. Estructura PHY de mensajes de uplink

En la figura 29 se observa el preámbulo el cual cuenta con 8 bytes de longitud, la cabecera y la carga útil en el sistema uplink

Fig 29.Estructura PHY Uplink

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Tabla 4. Estructura PHY de mensajes de downlink

En la figura 30 se observa el preámbulo, la cabecera y la carga útil en el sistema downlink

Fig 30.Estructura PHY Uplink

El Payload de capa física cuenta con una cabecera MAC, el MAC Payload y un Message Integrity Code, un código de cuatro bytes que se calcula a partir de la Network session key (NwkSKey). La cabecera MAC especifica el tipo de mensaje y la versión del formato de la trama de la especificación de la capa LoRaWAN con la que ha sido codificada. Existen seis tipos de mensajes MAC.

MType Descripción

000 Join Request

001 Join Accept

010 Unconfirmed Data Up

011 Unconfirmed Data Down

100 Confirmed Data Up

101 Confirmed Data Down

110 RFU

111 Proprietary

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El MACPayload incluye una cabecera de trama, un campo de puerto opcional y un campo de Payload de trama opcional (Tabla 6).

Tabla 6. MAC Payload

La cabecera de trama contiene la dirección con la que se identifica el dispositivo dentro de la red, un campo FCtrl para habilitar el Adaptive data rate, un contador de tramas y un campo FOpts en el caso de que se deseé transmitir un comando MAC. El campo FPort sirve para determinar si el campo FRMPayload contiene comandos MAC o datos de la aplicación

Tabla 7. Esquema FHDR

Los siete bits más significativos del campo DevAddr se utilizan para el identificador de red (NwkID) mientras que los veinticinco restantes corresponden a la dirección de red (NwkAddr), la cual puede ser asignada por el administrador de la red. La comunicación en LoRaWAN se efectúa entonces de nodos a gateway y de gateway al servidor de red. El gateway es el encargado de convertir los paquetes LoRaWAN en paquetes UDP. El nodo puede trasmitir tantos mensajes seguidos como números de canales tenga habilitados. Cuando el nodo transmite un mensaje con confirmación, este llega al gateway, que convierte el mensaje en un paquete UDP y lo reenvía al servidor de red. Aunque el mensaje no requiera confirmación, el gateway sí recibe respuesta del servidor de red. Una vez ha transmitido por el último canal disponible, el nodo no podrá volver a transmitir hasta pasado el ciclo de trabajo de cada canal. El tamaño máximo de payload es de 250 bytes suficiente para la transmisión de los datos de los sensores. (Carrion, 2017)

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Fig 31. Replica en la trama de datos

En caso contrario si no hubo una réplica conforme a lo que envió el nodo que se identificó, este cuenta con un sistema de advertencia donde indica que no se ha recibido nada por parte del mismo, el nodo pregunta si el sistema del Gateway se encuentra abierto para recibir su dato, si no es así enviara un error correspondiente.

Fig 32. Error en la trama de comunicaciones

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Fig 33. Protocolo de capa de control de acceso a medios

3.4 Sensores

Los sensores permiten realizar la validación del dato a comparar con patrones certificados, estos sensores permiten realizar la lectura de las variables físicas que se quieren analizar, las cuales son: Temperatura, Humedad, Radiación y Ph; Con esto se necesitan sensores especiales los cuales cuentan con unas especificaciones técnicas para lo que se requiere en este caso, ya que es para realizar la medición de las variables en terreno deben contar con la capacidad para realizar lecturas validas en el ambiente que sean instalados, de tal modo que si no cuentan con especificaciones para estos terrenos la lectura entregada por parte del sensor no será una lectura valida y se tendrán errores en la lectura por parte de la base de datos.

3.4.1 Comparación tecnológica de sensores

Los parámetros para tener en cuenta la versatilidad de los sensores son los siguientes:

 Sensibilidad: Se define como la cantidad mínima que el sensor será capaz de medir y por lo tanto, modificará la salida. Si ponemos el ejemplo de un sensor de temperatura, la sensibilidad será cuantos grados es capaz de detectar para que modifique la salida en voltios.

 Rango de valores: son los valores máximo y mínimo que es capaz de medir el sensor. En este caso se tendrá una temperatura mínima y una temperatura máxima. Dependerá de las condiciones físicas del propio sensor.

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 Tiempo de respuesta: los sensores no cambian su estado de salida inmediatamente. Para que cambie la salida con respecto a una entrada debe pasar un tiempo y a este tiempo se le llama el tiempo de respuesta. Por lo tanto será el tiempo necesario para que cuando se produzca un cambio en la entrada este produzca un cambio en la salida. Se suele medir en % es decir, cuanto tiempo tarda en producirse un % de la variación.

 Offset: este parámetro lo ideal es que sea cero, es un factor de corrección que se debe tener en cuenta a la hora de hacer los cálculos. Se puede resumir como el valor de salida que se tiene cuando debería ser cero.

Al tener en cuenta estos parámetros se realizan las comparaciones necesarias para establecer los criterios en la selección de los sensores que más se adecuen a los valores requeridos para el proceso del desarrollo del prototipo.

Temperatura:

Sensor Lm-35 TC-74 DH-T11 DS18B20 TPA81 Voltaje de

Operación

4V-30V 2.7v – 5.5v 3 V a 5,5 V

2.2 V a 5.5V

2.7v – 5.5v

Rango de temperaturas

-55° C a 150°C

-40° C a 125°C

0º C a 50º C

-100°C a 580°C

-100°C – 780°C Precisión +- 0,5°C 3º C de 0º

C a 125º C

±2º C 0,3ºC 0.02°C

Tiempo de respuesta 100% 4 min 100% 2 min

50% 1 min 100% 20 sg

100% 30Ssg

Resolución 8-bit 8-bit 8-bit 14 bit. 10 bit.

Offset 0V 0V 0V 0V 0V

Tabla 8. Comparación tecnológica sensores de temperatura

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 Humedad: El sensor de humedad implementado es el YL-60 este sensor permite realizar la lectura del valor de la humedad de la tierra generando un voltaje entre sus puntas, dependiendo la resistencia de la tierra este obtendrá un valor en corriente la cual es analizada por un circuito externo y después convertida a valores en porcentajes de 0 a 100%.

 Radiación: El sensor de Radiación UV cuenta con un circuito que permite realizar lecturas validas de radiación en la escala de 0 a 11+ el cual dependiendo del voltaje de salida en mv permitirá conocer el valor de radiación.

 Ph: El sensor de Ph cuenta con una sonda con un electrodo que dependiendo de la base o acidez de la tierra entregara los correspondientes datos de ph a la tarjeta externa, esta tarjeta enviará el dato correspondiente al Ph analizado.

En la figura 34 se observa el circuito que se diseñó para la adquisición de los datos provenientes de los sensores anteriormente descritos.

Fig 34.Circuito para la adquisición de datos de los sensores

3.4.2 Adquisición de datos

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Fig 35.Nodos con los “Id” correspondientes

Al realizar la adquisición de los datos provenientes de los sensores implementados se configuran a través de un código en arduino el cual permite realizar la verificación de la lectura de cada uno de estos, el LoRa Shield permite realizar la lectura y escritura del arduino sin que se vea afectado su funcionamiento. El circuito implementado para el LoRa Shield se observa en la Figura 36.

Fig 36. Circuito LoRa Shield arduino

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Fig 37. Conexión datos con arduino + LoRa shield.

La verificación por redundancia cíclica (CRC) es un código de detección de errores usado frecuentemente en redes digitales y en dispositivos de almacenamiento para detectar cambios accidentales en los datos. En el código implementado en cada uno de los nodos se relaciona la configuración de corrección de errores “CRC16” para permitir que los datos provenientes de cada uno de los sensores sean valores verídicos y no valores producidos por ruido o por algún ente externo que pueda llegar a generar este tipo de valores, en la figura 38 se observa el código implementado para la corrección de errores, este código sirve tanto para lectura del dato y envío del mismo por el sistema inalámbrico LoRa.