Desarrollo de plataforma de internet de las cosas para toma de decisiones en modelos de agricultura de precisión

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(1)DESARROLLO DE PLATAFORMA DE INTERNET DE LAS COSAS PARA TOMA DE DECISIONES EN MODELOS DE AGRICULTURA DE PRECISIÓN. ANDRÉS LEONARDO ARÉVALO PARRA. CARLOS ANDRÉS RIAPIRA CHICO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROGRAMA INGENIERÍA EN TELEMÁTICA BOGOTÁ D.C MIÉRCOLES 20 DE SEPTIEMBRE DE 2017.

(2) DESARROLLO DE PLATAFORMA DE INTERNET DE LAS COSAS PARA TOMA DE DECISIONES EN MODELOS DE AGRICULTURA DE PRECISIÓN. ANDRÉS LEONARDO ARÉVALO PARRA CÓDIGO: 20152678003. CARLOS ANDRÉS RIAPIRA CHICO CÓDIGO: 20161678017. MONOGRAFÍA DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO EN TELEMÁTICA. INGENIERO NORBERTO NOVOA TORRES DIRECTOR DE GRADO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROGRAMA INGENIERÍA EN TELEMÁTICA BOGOTÁ D.C MIÉRCOLES 20 DE SEPTIEMBRE DE 2017.

(3) Agradecimientos “A las diferentes comunidades Open source en Colombia, por los aportes y los espacios académicos que permitieron acrecentar y fortalecer nuestros conocimientos adquiridos en la academia, a los profesionales en el agro que nos brindaron su tiempo y experiencia para enriquecer el desarrollo temático del proyecto, a nuestros familiares y amigos que día a día nos acompañaron y fueron un soporte moral. Agradecemos especialmente al director de grado Norberto Novoa y al profesor Héctor Fúuquene por no limitar en lo más mínimo el alcance de este trabajo, por tener confianza plena en nuestras capacidades y por no ser de las muchas personas que nos dicen en el día a día que somos incapaces o que algo es imposible.”.

(4) Tabla de contenido Resumen ......................................................................................................................................... 18 Introducción ................................................................................................................................... 20 Tema ............................................................................................................................................... 21 Planteamiento del problema ........................................................................................................... 21 Formulación del problema ............................................................................................................. 23 Solución Tecnológica ..................................................................................................................... 23 Nodo sensor inalámbrico: ........................................................................................................... 24 Plataforma web ........................................................................................................................... 24 Aplicación móvil ......................................................................................................................... 25 Adecuación de Drone o VANT................................................................................................... 25 Objetivos ........................................................................................................................................ 26 Objetivo General ......................................................................................................................... 26 Objetivos Específicos.................................................................................................................. 26 Alcances y Delimitaciones ............................................................................................................. 27 Alcances: ..................................................................................................................................... 27 Delimitaciones: ........................................................................................................................... 27 Contribuciones ............................................................................................................................... 28 Marco Referencial .......................................................................................................................... 30 Marco Teórico ............................................................................................................................. 30 Concepto de agricultura de precisión ...................................................................................... 30 Variabilidad Espacial ............................................................................................................... 31 Variabilidad Temporal:............................................................................................................ 31 Variabilidad Predictiva ............................................................................................................ 32 Agricultura de precisión en países de Sudamérica .................................................................. 33 Empresas que utilizan agricultura de precisión: ...................................................................... 36 Marco conceptual ........................................................................................................................... 38 Raspberry Pi Zero W .................................................................................................................. 38 Definición: ............................................................................................................................... 38 Especificaciones ...................................................................................................................... 38 Sistema operativo Raspbian..................................................................................................... 39 Protocolos ................................................................................................................................... 40 Protocolo SPI ........................................................................................................................... 40 Protocolo I2C ........................................................................................................................... 41.

(5) Selección De I2C y SPI (ventajas y desventajas) .................................................................... 42 Sensores ...................................................................................................................................... 43 MPL3113A2 ............................................................................................................................ 43 BME280................................................................................................................................... 45 DS18B20 ................................................................................................................................. 49 DHT11 ..................................................................................................................................... 51 SI7021 ...................................................................................................................................... 52 SHT15-H ................................................................................................................................. 53 PT100....................................................................................................................................... 55 SEN0114 .................................................................................................................................. 57 LIS331HH ............................................................................................................................... 59 SEN-12055; TSL2561 ............................................................................................................. 61 RTC DS3231SN ...................................................................................................................... 63 MQ7 ......................................................................................................................................... 65 5TE Decagon ........................................................................................................................... 66 Anemómetro ............................................................................................................................ 68 Módulos de comunicación .......................................................................................................... 70 RFM69-HCW .......................................................................................................................... 70 XBEE ....................................................................................................................................... 71 WIFI ESP8266 ......................................................................................................................... 87 LORAWAN ............................................................................................................................. 92 -Microchip RN2903A .............................................................................................................. 92 Telefonía celular ...................................................................................................................... 94 -Quectel M66DS (GSM, 2G)................................................................................................... 96 -Quectel UC20-G (UMTS, 3G) ............................................................................................... 98 Otros Componentes ................................................................................................................... 103 Antena RP-SMA de 3.5dBi ................................................................................................... 103 Batería de ion litio ................................................................................................................. 104 RPI-Powerpack ...................................................................................................................... 105 Software para análisis de cobertura de telefonía Celular .......................................................... 106 Radio Mobile ......................................................................................................................... 106 Google Earth pro ................................................................................................................... 107 Drone phantom 3 standard ........................................................................................................ 108 MongoDB ................................................................................................................................. 108.

(6) ¿Qué es Mongo DB?.............................................................................................................. 108 Factibilidad ................................................................................................................................... 110 Factibilidad económica: ............................................................................................................... 110 Factibilidad económica recursos humanos ............................................................................ 110 Factibilidad económica recursos técnicos ............................................................................. 110 Factibilidad económica costo total ........................................................................................ 111 Factibilidad técnica ................................................................................................................... 111 Metodología SCRUM .................................................................................................................. 112 FASE 1: Planificación............................................................................................................... 112 Selección y configuración de plataforma colaborativa para gestión de proyectos ................ 112 -Visual Studio Team Services ............................................................................................... 112 Recolección de información relevante .................................................................................. 114 -Moovia ................................................................................................................................. 114 Entrevistas a expertos ............................................................................................................ 115 -Primera entrevista ................................................................................................................. 115 -Segunda entrevista................................................................................................................ 117 -Tercera entrevista ................................................................................................................. 117 Proceso de benchmarking ...................................................................................................... 121 Empresas que prestan servicios de agricultura de precisión.................................................. 121 -Agroprecisión Ltda ............................................................................................................... 121 -Agrosat Chile........................................................................................................................ 121 -NeoAg .................................................................................................................................. 121 -Digimapas Chile ................................................................................................................... 122 -The Climate .......................................................................................................................... 122 -Digital farming ..................................................................................................................... 123 -Bynse .................................................................................................................................... 123 -AppGro ................................................................................................................................. 124 -Lagash .................................................................................................................................. 125 -Libelium ............................................................................................................................... 125 -FoodLogiQ ........................................................................................................................... 126 -FarmServer ........................................................................................................................... 126 -Cropti .................................................................................................................................... 127 Consolidado del benchmarking de empresas a nivel mundial ............................................... 128 Definición de modelo de dominio ......................................................................................... 129.

(7) Creación de backlog e historias de usuario ........................................................................... 129 FASE 2: Arquitectura del sistema/Diseño de alto nivel ........................................................... 130 Acotar la arquitectura del sistema, alcance de cada módulo y funcionalidad ....................... 130 -Versión desktop .................................................................................................................... 130 -Versión móvil ....................................................................................................................... 131 - Nodo Sensor ........................................................................................................................ 132 Plataforma web (Panel de monitorización unidad remota) ................................................... 132 Creación de diagramas de robustez ....................................................................................... 134 Almacenamiento de datos ...................................................................................................... 135 -Memoria MicroSD ............................................................................................................... 135 -Disco de estado sólido (miniPCI): ....................................................................................... 135 Configuración y lectura de sensores de manera individual ................................................... 136 -Anemómetro DAVIS............................................................................................................ 136 - PT100 (MAX31865) ........................................................................................................... 138 -BME280 ............................................................................................................................... 139 -LIS331 .................................................................................................................................. 140 -MPL3115A2 ......................................................................................................................... 141 -Si7021................................................................................................................................... 141 Diseño de red inalámbrica ..................................................................................................... 142 -RFM69 ................................................................................................................................. 142 -WIFI ESP8266 ..................................................................................................................... 145 -XBEE ................................................................................................................................... 146 -Quectel módulo celular: ....................................................................................................... 147 -Levantamiento de conexión con módulos Quectel .............................................................. 149 -Envió de datos a plataforma Azure con tecnología 2G y 3G ............................................... 150 Pruebas de altura con Drone DJI-Phantom............................................................................ 153 -Primera prueba: Cultivos de fresa, barrio san Benito Municipio de Sibaté ......................... 153 -Segunda prueba: Cultivo de zanahoria, barrio los rosales, municipio de Sibaté. ................ 155 Definición de fuentes y modelo de datos en Raspberry pi .................................................... 156 Creación de diagramas de bloques para toda la solución electrónica.................................... 156 FASE 3: Desarrollo de los Sprint.............................................................................................. 157 Documentación- Diccionario de datos .................................................................................. 157 Despliegue de bases de datos en SQL Azure y IoT Hub ....................................................... 157 Despliegue de bases de datos en SQL Azure y IoT Hub y PowerBi ..................................... 161.

(8) Desarrollo de la solución .......................................................................................................... 163 Nodo sensor inalámbrico ....................................................................................................... 163 -Acoplamiento e integración de sensores Modelos esquemáticos......................................... 163 -Sincronización con IoT Hub de Azure por medio de redes 2G/3G ..................................... 164 -Implementación de algoritmos criptográficos (AES128 bits) .............................................. 165 -Diseño PCB .......................................................................................................................... 166 -Montaje final, cajas y blindaje ............................................................................................. 167 -Unidad ambiental remota ..................................................................................................... 167 -Módulo de autenticación: ..................................................................................................... 168 -Módulo meteorológico y nodos sensores: ............................................................................ 169 -Módulo de gestión agrícola: ................................................................................................. 169 Pruebas en conjunto con Radio Mobile y Google Earth Pro: ................................................ 170 Proceso de identificación de torres de comunicaciones: ....................................................... 170 - Cobertura de Tigo con tecnológica 4G ............................................................................... 170 - Cobertura de Claro con tecnológica 4G .............................................................................. 170 -Cobertura de Movistar con tecnológica 4G.......................................................................... 171 -Cobertura de Avantel con tecnológica 4G ........................................................................... 171 Área de pruebas ..................................................................................................................... 171 -18 paradas y descripción visual. ........................................................................................... 172 -Puntos de análisis ................................................................................................................. 172 -Ruta completa destinada para la prueba. .............................................................................. 173 -Ruta con fronteras ................................................................................................................ 173 -Torres de claro con tecnología 2G en ruta de prueba ........................................................... 174 -Torres de claro con tecnología 3G en ruta de prueba ........................................................... 174 -Torres de claro con tecnología 4G en ruta de prueba. .......................................................... 175 -Torres de Tigo con tecnología 2G en rutas de prueba.......................................................... 175 -Torres de Tigo con tecnología 3G en ruta de prueba ........................................................... 176 -Torres de Tigo con tecnología 4G en ruta de prueba ........................................................... 176 -Torres de Movistar con tecnología 2G en ruta de prueba .................................................... 177 -Torres de tecnología Movistar 3G en ruta de prueba ........................................................... 177 -Torres de tecnología Movistar 4G en ruta de prueba ........................................................... 178 -Torres de Avantel no hay en el municipio de Sibaté............................................................ 178 Mapa completo con las torres de todos los operadores en ruta de prueba............................. 178 -Cantidad de torres en el municipio de Sibaté. ...................................................................... 179.

(9) -Evaluación del perfil de elevación: ...................................................................................... 180 -Análisis de torre con recepción perfecta: Punto 2 con operador TIGO ............................... 181 -Comparativa de cobertura celular Colombia – España ......................................................... 182 -Acoplamiento Drone ............................................................................................................ 183 -Diseño e impresión de partes para acoplamiento de sensores .............................................. 183 -Prototipo en impresión 3D ................................................................................................... 183 -Lectura de datos del Drone................................................................................................... 184 FASE 4: Cierre .......................................................................................................................... 186 Aplicación Escritorio ............................................................................................................. 186 Aplicación web ...................................................................................................................... 188 Aplicación móvil ................................................................................................................... 189 Nodo sensor ........................................................................................................................... 192 Estación meteorológica.......................................................................................................... 193 Unidad ambiental ................................................................................................................... 194 Conclusiones ................................................................................................................................ 196 Conclusiones sociales ............................................................................................................... 196 Conclusiones Tecnológicas ....................................................................................................... 196 Conclusiones específicas .......................................................................................................... 197 Bibliografía................................................................................................................................... 199.

(10) Índice de figuras Figura 1. Ejemplo de variabilidad espacial sistema Geosil ............................................................ 31 Figura 2. Variabilidad temporal del rendimiento de maíz EMBRAPA. ........................................ 31 Figura 3. Mapa de rendimiento por medio de fotografía aérea. ..................................................... 32 Figura 4. RaspBerry Pi Zero W ...................................................................................................... 38 Figura 5. Sistema operativo Raspbian. ........................................................................................... 39 Figura 6. Estructura general del protocolo SPI. ............................................................................. 40 Figura 7. Protocolo I2C conexión en paralelo................................................................................ 42 Figura 8. Sensor MPL3113A2 Presión y altitud. ........................................................................... 44 Figura 9. Sensor MPL3113A2 Conexión con Arduino. ................................................................. 44 Figura 10. Sensor BME280 Presión, Temperatura, Humedad. ...................................................... 45 Figura 11. Sensor BME280 Conexión con Arduino. ..................................................................... 46 Figura 12 Sensor BME 280 Respuesta de paso Vs número de muestras ....................................... 48 Figura 13. Sensor DS18B20 Temperatura, humedad. .................................................................... 50 Figura 14. Sensor DS18B20 Conexion a Arduino. ........................................................................ 51 Figura 15. Sensor DHT11 Temperatura, humedad. ....................................................................... 51 Figura 16. Sensor DHT11 Conexión Arduino. .............................................................................. 52 Figura 17. Sensor SI7021 Temperatura, humedad. ........................................................................ 53 Figura 18. Sensor SI7021 conexión Arduino. ................................................................................ 53 Figura 19. Sensor SHT15 Temperatura, humedad. ........................................................................ 54 Figura 20. Sensor SHT15 conexión Arduino. ................................................................................ 54 Figura 21. Sensor Pt100 Temperatura. ........................................................................................... 57 Figura 22. Sensor Pt100 conexión Arduino. .................................................................................. 57 Figura 23. Sensor SEN0114 Humedad. ......................................................................................... 58 Figura 24. Sensor SEN0114 Conexión con Arduino. .................................................................... 59 Figura 25. Sensor LIS331HH Acelerómetro. ................................................................................. 60 Figura 26. Sensor LIS331HH conexión Arduino. .......................................................................... 60 Figura 27. Sensor SEN-12055 Luminosidad.................................................................................. 61 Figura 28. Sensor SEN-12055conexión Arduino. .......................................................................... 61 Figura 29. Ojo humano................................................................................................................... 62.

(11) Figura 30. RTC DS3231SN Reloj. ................................................................................................. 64 Figura 31. Sensor MQ7 Monóxido. ............................................................................................... 65 Figura 32. Sensor MQ7 conexión Arduino. ................................................................................... 65 Figura 33. Sensor 5TE Decagon. ................................................................................................... 67 Figura 34 Sensor 5TE Decagon Profundidad de instalación.......................................................... 67 Figura 35. Anemómetro Davis, Dirección y velocidad del viento. ................................................ 69 Figura 36. Anemómetro Davis Ángulos en grados para dirección del viento. .............................. 69 Figura 37. Anemómetro Davis conexión Arduino. ........................................................................ 69 Figura 38. Módulo de comunicación RFM69. ............................................................................... 71 Figura 39. Módulo de comunicación Xbee Serie 1. ....................................................................... 72 Figura 40. Módulo de comunicación Xbee Serie 2. ....................................................................... 72 Figura 41. Módulo de comunicación Xbee Serie PRO. ................................................................. 72 Figura 42. Módulo de comunicación Xbee con antena de chip. .................................................... 73 Figura 43. Módulo de comunicación Xbee Topologías de red. ..................................................... 74 Figura 44. Módulos de comunicación Xbee Diagrama de pines.................................................... 75 Figura 45. Ejemplo de red Zigbee con módulos Xbee y modos de operación. .............................. 79 Figura 46. Formula Para determinar la Frecuencia central del canal. ............................................ 80 Figura 47. Ciclo de funcionamiento agricultura de precisión. ....................................................... 80 Figura 48. Redes de sensores remotos. .......................................................................................... 81 Figura 49. Estructura e instalación de un nodo sensor inalámbrico. .............................................. 82 Figura 50. Software XCTU Adicionar Xbee. ................................................................................. 82 Figura 51. Software XCTU Seleccionando puerto COM. ............................................................. 83 Figura 52. Software XCTU Configuración de parámetros búsqueda módulos Xbee. .................. 83 Figura 53. Software XCTU Búsqueda de Módulo Xbee. .............................................................. 84 Figura 54. Software XCTU Finalización de búsqueda. ................................................................. 84 Figura 55. Software XCTU Visualizacion Módulo agregado. ....................................................... 85 Figura 56. Software XCTU Modificación de parámetros módulo agregado. ................................ 85 Figura 57. Software XCTU Guardando cambios de parámetros. .................................................. 86 Figura 58. Módulo de comunicación Wifi Esp8266. ..................................................................... 87 Figura 59. Módulo de comunicación Wifi Esp8266 Visualización de redes cercanas código AT. ........................................................................................................................................................ 89.

(12) Figura 60. Módulo de comunicación Wifi Esp8266 Pines............................................................. 91 Figura 61. Módulo de comunicación Wifi Esp8266 Con antena externa. ..................................... 92 Figura 62. Módulo de comunicación LORAWAN. ....................................................................... 93 Figura 63. Antenas celulares en entorno rural y urbano. Sibaté, Colombia. .................................. 94 Figura 64. Arquitectura de estructura celular. ................................................................................ 95 Figura 65. Módulo de comunicación Quectel M66DS (GSM, 2G). .............................................. 96 Figura 66. Módulo de comunicación Quectel UC20-G (UMTS, 3G). ........................................... 98 Figura 67. Presentación LLC Módulo 3G UC20. ........................................................................ 100 Figura 68. Medidas de la versión Mini-PCI. ................................................................................ 100 Figura 69. Montaje de Módulo 3G UC20 con antenas. ............................................................... 100 Figura 70. Montaje completo del módulo celular Quectel UC20-G. ........................................... 101 Figura 71. Antena RP-SMA de 3.5dBi. ....................................................................................... 103 Figura 72. Batería de ion litio....................................................................................................... 104 Figura 73. RPI-Powerpack. .......................................................................................................... 105 Figura 74. Radio Mobile Software para radio enlaces. ................................................................ 106 Figura 75. Drone Phantom 3 standard. ......................................................................................... 108 Figura 76. Logo MongoDB. ......................................................................................................... 108 Figura 77. Visual Studio Team Services 3 Actividades cerradas. ............................................... 112 Figura 78. Visual Studio Team Services Administración de actividades. ................................... 113 Figura 79. Resumen en Overview por historia de usuario. .......................................................... 113 Figura 80. Plataforma de recolección de información MOOVIA. ............................................... 114 Figura 81. Finca la esperanza primera parte. ............................................................................... 118 Figura 82. Finca la esperanza segunda parte. ............................................................................... 118 Figura 83. Finca la esperanza tercera parte. ................................................................................. 119 Figura 84. Finca la esperanza tercera parte, cultivo de fresas a 2 semanas de cosechar. ............. 119 Figura 85. Finca la esperanza Vuelo y reconocimiento con el VAN. .......................................... 120 Figura 86. Nodo sensor recolectando datos. ................................................................................ 120 Figura 87. Logo Agroprecisión. ................................................................................................... 121 Figura 88. Logo Agrosat. ............................................................................................................. 121 Figura 89. Logo NeoAg. .............................................................................................................. 121 Figura 90. Logo Digimapas Chile. ............................................................................................... 122.

(13) Figura 91. Logo The Climate. ...................................................................................................... 122 Figura 92. Logo Digital Farming. ................................................................................................ 123 Figura 93. Logo Bynse. ................................................................................................................ 123 Figura 94. Estación Meteorologica Bynce. .................................................................................. 124 Figura 95. Logo AppGro. ............................................................................................................. 124 Figura 96. Logo Lagash. .............................................................................................................. 125 Figura 97. Logo Libelium. ........................................................................................................... 125 Figura 98. Logo FoodLogiQ. ....................................................................................................... 126 Figura 99. Logo FarmServer. ....................................................................................................... 126 Figura 100. Logo Cropti. .............................................................................................................. 127 Figura 101. Consolidado de empresas – resultado de benchmarking. ......................................... 128 Figura 102. Definición de modelo de dominio. ........................................................................... 129 Figura 103. Team services Historias de usuario y tareas, Primera parte. .................................... 129 Figura 104. Team Services Historias de usuario y tareas, Segunda parte. ................................... 130 Figura 105. Versión desktop Solución Agrofarmpi. .................................................................... 131 Figura 106. Versión Móvil Solución AgroFarmPi. ...................................................................... 131 Figura 107. Placa Solución Nodo sensor - Desarrollo en Altium. ............................................... 132 Figura 108. Acceso panel de monitorización Plataforma Web Agrofarmpi. ............................... 132 Figura 109. Módulo de administración Raspberry pi Plataforma Web........................................ 133 Figura 110. Monitor meteorológico gráficas y responsive web design. ...................................... 133 Figura 111. Estación meteorológica en tiempo real. .................................................................... 134 Figura 112. Diagrama de Robustez. ............................................................................................. 134 Figura 113. Memoria microSD con Shield. ................................................................................. 135 Figura 114. Detalles de Disco solido 32gbs Puerto Mini PCI. .................................................... 135 Figura 115. Disco de estado sólido con puerto mini PCI. ............................................................ 135 Figura 116. Anemómetro Plano esquemático. ............................................................................. 136 Figura 117. Anemómetro adquirido para el proyecto. ................................................................. 136 Figura 118. Datos recolectados por el anemómetro. .................................................................... 137 Figura 119. Modelamiento y empalme del anemómetro con placa de Arduino. ......................... 137 Figura 120. Plano esquemático del Max 31865. .......................................................................... 138 Figura 121. Montaje de Max 31865 en conjunto con Arduino y sensor PT100. ......................... 138.

(14) Figura 122. Plano esquemático sensor BME280. ........................................................................ 139 Figura 123. Montaje de prueba en protoboard del Sensor BME280. ........................................... 139 Figura 124. Plano esquemático sensor LIS331. ........................................................................... 140 Figura 125. Montaje en protoboard del sensor LIS331. ............................................................... 140 Figura 126. Plano esquemático del sensor MPL3115A2. ............................................................ 141 Figura 127. Montaje de prueba del sensor MPL3115A2 y visualización de datos en pantalla. .. 141 Figura 128. Plano esquemático del sensor Si7021. ...................................................................... 141 Figura 129. Montaje y pruebas del sensor SI7021 con siaualizacion de datos ambiente. ........... 142 Figura 130. Plano esquemático módulo de comunicación RFM69. ............................................ 142 Figura 131. Pruebas de envió de mensaje Módulo de comunicación RFM69. ............................ 143 Figura 132. Recepción del mensaje módulo de comunicaionm RFM69. .................................... 143 Figura 133. Medida de la antena Módulo de comunicación RFM69. .......................................... 144 Figura 134. Montaje del módulo de comunicación RFM69 en placa Arduino. ........................... 144 Figura 135. Montaje del módulo de comunicación Rfm69 en protoboard. ................................. 144 Figura 136. Plano esquemático módulo de comunicación WIFI ESP8266. ................................ 145 Figura 137. Prueba de comando AT en módulo de comunicación Wifi ESP8266. ..................... 145 Figura 138. Montaje Módulo de comunicación Wifi ESP8266. .................................................. 145 Figura 139. Plano esquemático Xbee. .......................................................................................... 146 Figura 140 Análisis de espectro, (16 canales y validación del más optimo) ............................... 146 Figura 141. Análisis de espectro, (16 canales y validación del más optimo). ............................. 146 Figura 142. Montaje de Pruebas Módulos Xbee. ......................................................................... 147 Figura 143. Plano esquemático Simcards. ................................................................................... 147 Figura 144. Plano esquemático Selector Switch GSM. ............................................................... 148 Figura 145. Plano esquemático Módulo de celular. ..................................................................... 148 Figura 146. Plano esquemático accesorios celular. ...................................................................... 149 Figura 147 Levantamiento de conexión con módulos Quectel .................................................... 149 Figura 148. Envió de datos a plataforma Azure con tecnología 2G y 3G (Pruebas en video como anexo). .......................................................................................................................................... 150 Figura 149. Dispositivos físicos presentes en él envió de datos a IoT Hub Azure. ..................... 150 Figura 150. Shield para módulo Queltel. ..................................................................................... 151 Figura 151. Módulos Quectel UC20. ........................................................................................... 151.

(15) Figura 152. Shield con módulo Quectel Trabajando de la mano con Raspberry pi 1. ................. 151 Figura 153 Antena y GPS trabajando de la mano con módulos Quectel UC20........................... 152 Figura 154. Plano esquemático para LoraWan. ........................................................................... 152 Figura 155. Rutas adaptador LoraWan. ....................................................................................... 153 Figura 156. Diseño final adaptador LoraWan. ............................................................................. 153 Figura. 157 Pruebas de altura. Cultivos de fresa, barrio san Benito Municipio de Sibaté. .......... 153 Figura 158. Pruebas de altura segundo sector. ............................................................................. 154 Figura 159. Pruebas de altura Tercer sector. ................................................................................ 154 Figura 160. pruebas de altura Segunda prueba: Cultivo de zanahoria, barrio los rosales, municipio de Sibaté. ...................................................................................................................................... 155 Figura 161. Prueba de altura Barrio los rosales. .......................................................................... 155 Figura 162. Definición de fuentes y modelo de datos en Raspberry pi. ...................................... 156 Figura 163. Diagramas de bloques de toda la solución. ............................................................... 156 Figura 164. Panel de trabajo en Azure. ........................................................................................ 157 Figura 165. IotAgroFarm Azure IotHub. ..................................................................................... 157 Figura 166. Saveiotdata FUNCTION APP. ................................................................................. 158 Figura 167. Storageagrofarm........................................................................................................ 158 Figura 168. Datos almacenados en Storageagrofarm. .................................................................. 158 Figura 169. IotAgroFarm Azure IotHub. ..................................................................................... 159 Figura 170. Prediction_Agrofarm_trabajoStreaming. .................................................................. 159 Figura 171. Access Key para modelo de predicción. ................................................................... 159 Figura 172. Access Key visible para utilizar en el modelo de aprendizaje automático. .............. 160 Figura 173. Modelo de predicción. .............................................................................................. 160 Figura 174. Pronóstico de lluvia a partir de modelo de predicción. ............................................. 161 Figura 175. Powerbi_Stream_job. ................................................................................................ 161 Figura 176. Crear área de trabajo PowerBi. ................................................................................. 162 Figura 177. configuración del DataSet PowerBi. ......................................................................... 162 Figura 178. Creación de informe temperatura en PowerBi. ......................................................... 162 Figura 179. Vinculando temperatura y hora PowerBi. ................................................................. 163 Figura 180. Acoplamiento e integración de sensores Modelos esquemáticos (Esquemático ampliado incluido en anexos). ...................................................................................................... 163.

(16) Figura 181. Solución física integrada, nodo sensor con soporte de redes celulares 3G............... 164 Figura 182. Cadena de conexión de clave principal Azure IoTHub. ........................................... 164 Figura 183. Conexión desde node.js a IoTHub. ........................................................................... 165 Figura 184. Modelo Aes 128 Bits – Simulación software Cryptool 2. ........................................ 165 Figura 185. Frame resultado cifrado con AES128 y enviado en formato hexadecimal de manera exitosa desde el nodo sensor. ....................................................................................................... 166 Figura 186. Diseño PCB Top layer, Botton y internal layers. ..................................................... 166 Figura 187. Prototipo inicial de nodo sensor................................................................................ 167 Figura 188. Unidad ambiental remota. ......................................................................................... 167 Figura 189. Menú principal mobile. ............................................................................................. 168 Figura 190. Creación de una nueva parcela. ................................................................................ 168 Figura 191. Módulo de autenticación mobile............................................................................... 168 Figura 192. Módulo meteorológico y nodos sensores.................................................................. 169 Figura 193. Módulo de gestión agrícola Mobile. ......................................................................... 169 Figura 194. Cobertura de Tigo con tecnológica 4G. .................................................................... 170 Figura 195. Cobertura de Claro con tecnológica 4G. ................................................................... 170 Figura 196. Cobertura de Movistar con tecnológica 4G. ............................................................. 171 Figura 197. Cobertura de Avantel con tecnológica 4G. ............................................................... 171 Figura 198. 18 paradas y descripción visual. ............................................................................... 172 Figura 199. Puntos de análisis Cobertura celular. ........................................................................ 172 Figura 200. Ruta análisis Quectel. ............................................................................................... 173 Figura 201. Ruta con fronteras análisis Quectel. ......................................................................... 173 Figura 202. Torres de claro con tecnología 2G en ruta de prueba. .............................................. 174 Figura 203. Torres de claro con tecnología 3G en ruta de prueba. .............................................. 174 Figura 204. Torres de claro con tecnología 4G en ruta de prueba. .............................................. 175 Figura 205. Torres de Tigo con tecnología 2G en rutas de prueba. ............................................. 175 Figura 206. Torres de Tigo con tecnología 3G en ruta de prueba. ............................................... 176 Figura 207. Torres de Tigo con tecnología 4G en ruta de prueba. ............................................... 176 Figura 208. Torres de Movistar con tecnología 2G en ruta de prueba. ........................................ 177 Figura 209. Torres de tecnología Movistar 3G en ruta de prueba. ............................................... 177 Figura 210. Torres de tecnología Movistar 4G en ruta de prueba. ............................................... 178.

(17) Figura 211. Mapa completo con las torres de todos los operadores en ruta de prueba. ............... 178 Figura 212. Radio Mobile prueba claro. ...................................................................................... 179 Figura 213. resultados de radio mobile a Google earth pro. ........................................................ 180 Figura 214. Evaluación del perfil de elevación. ........................................................................... 180 Figura 215. Análisis de torre con recepción perfecta: Punto 2 con operador TIGO. ................... 181 Figura 216. Análisis módulo 2G y 3G Google Earth. .................................................................. 181 Figura 217. Mapa de cobertura celular, Colombia – España (incluye todos los operadores celulares, fuente: Opensignal.org) ................................................................................................ 182 Figura 218. Prototipo en impresión 3D. ....................................................................................... 183 Figura 219. Prototipo impresor 3D. ............................................................................................. 183 Figura 220. Terminado final del prototipo en 3D. ....................................................................... 184 Figura 221. Datos de Co2 (monóxido de carbono). ..................................................................... 185 Figura 222. Temperatura (temperatura máxima y mínima recolectada). ..................................... 185 Figura 223. Humedad y Rayos UV. ............................................................................................. 185. Índice de tablas Tabla 1 Evolución en las herramientas de agricultura de precisión. .............................................. 34 Tabla 2 Coeficiente del filtro por cantidad de muestras por paso .................................................. 48 Tabla 3 Elemento de intercambiabilidad pt100 en Cº .................................................................... 56 Tabla 4 Módulo de comunicación Wifi Esp8266 Estándares banda 2,4 GHz ............................... 87 Tabla 5 Frecuencia de redes celulares en Colombia ...................................................................... 95 Tabla 6 Módulo de comunicación Queltel M66DS Caracteristicas módulo ................................ 97 Tabla 7 Características Generales – Quectel UC20-G ................................................................. 103 Tabla 8 Factibilidad económica recursos humanos...................................................................... 110 Tabla 9 Factibilidad económica recursos técnicos ....................................................................... 110 Tabla 10 Factibilidad económica costo total ................................................................................ 111 Tabla 11 Factibilidad técnica ....................................................................................................... 111 Tabla 12 Cantidad de torres en el municipio de Sibaté ................................................................ 179 Tabla 13 Pruebas Aplicación Escritorio ....................................................................................... 188 Tabla 14 Pruebas aplicación web ................................................................................................. 189.

(18) Tabla 15 Pruebas Aplicación móvil ............................................................................................. 191 Tabla 16 Pruebas Nodo sensor ..................................................................................................... 192 Tabla 17 Pruebas Estación meteorológica ................................................................................... 193 Tabla 18Pruebas Unidad ambiental.............................................................................................. 195.

(19) 18. Resumen El presente trabajo de investigación estudia algunas de las soluciones tecnológicas que sirven para la creación o implementación de sistemas de agricultura de precisión presentes en Colombia haciendo una comparación detallada con otros países de Suramérica, seguidamente se propone una solución tecnológica enfocada en la creación de un modelo propio de agricultura de precisión, basado en la extracción y recolección de datos ambientales, provenientes de los sensores remotos ubicados dentro de la red (punto-multipunto). Donde la seguridad de los datos es primordial para brindar disponibilidad e integridad, por lo que utilizamos técnicas de encriptación y plataformas donde los datos son plenamente resguardados; la información recolectada, viaja por medio de protocolos de red inalámbrica según sea el lugar y las necesidades que se den en el campo, por lo que se cuenta con soporte para tecnologías de comunicación como (ISM, XBEE, RFM69, WIFI, 2G, 3G y 4G), una vez consolidados e integrados los datos, se obtiene un soporte histórico de variaciones climáticas por medio del portal de Microsoft Azure, donde se analizan y se estudian los datos con la herramienta Azure Machine Learning Studio y PoweBI, para así dar como resultado un estimado de probabilidad de lluvia..

(20) 19 Abstract This research paper studies some of the technological solutions that are used for the creation or the implementation of precision farming systems in Colombia making a detailed comparison among other countries in South America; thereupon it is proposed a technological solution focused on the creation of an own precision crop model, based on the extraction and gathering of environmental data, coming from the remote sensors located within the network (point-to-multipoint). Where data security is paramount to provide availability and integrity. Consequently, encryption techniques and platforms are used, where data are fully protected. The information collected is sent via the means of wireless network protocols depending on the place and the necessities that are in the field, reason why it counts on the support of communication technologies like (ISM, XBEE, RFM69, WIFI, 2G, 3G and 4G). Once the data are consolidated and integrated, a historical support of climatic variations is obtained through the Azure portal, where the data are analyzed and studied through the tool Cognitive Service to result in a estimated rain probability..

(21) 20 Introducción Este trabajo de investigación muestra un análisis de las estructuras funcionales de sistemas de agricultura de precisión en Sudamérica con énfasis en Colombia; identifica su impacto, beneficios e inconvenientes frente a la población campesina. Además, plantea la construcción de un modelo independiente de agricultura de precisión, modificable y escalable haciendo uso de herramientas libres. La agricultura de precisión surge como respuesta a la integración entre las tecnologías de la información y las comunicaciones con las labores del campo. Agiliza diferentes tareas manuales, mejora niveles de producción, controla plagas y enfermedades, además aprovecha mejor los insumos, puesto que evita, por ejemplo, el uso excesivo de pesticidas o el desperdicio de recursos hídricos. Finalmente, la AP revoluciona el concepto de siembra y agricultura tradicional y la concibe desde un punto de vista más responsable puesto que busca para las generaciones actuales y futuras una seguridad alimentaria y una conciencia ambiental mucho más fuerte y sólida. El principal problema que los sistemas de agricultura de precisión en Colombia poseen se centra en su baja adopción por parte de pequeños y medianos campesinos, principalmente porque la agricultura de precisión no se desarrolla bajo un marco de estado. Por lo tanto, no existen instituciones dedicadas a la difusión, investigación y desarrollo de sistemas de este tipo. Por otro lado, los sistemas comerciales de AP son muy costos, su diseño y funcionamiento en la mayoría de los casos no está orientado para pequeñas extensiones de cultivos y adicionalmente son sistemas privativos en su totalidad, no son escalables, modificables y adaptables a necesidades individuales. No obstante, llevar a cabo un estudio de este tipo y generar una solución tecnológica, no busca simplemente brindar una plataforma informática. El objetivo principal se centra en disminuir la brecha que existe en Colombia entre campesinos tradicionales y las grandes industrias productoras de alimentos. Como mecanismo de consulta se solicitó al Ministerio de Agricultura de Colombia información sobre sistemas de AP en el país (ver anexos). También se realizó un estudio acerca de la adopción de sistemas de AP en Sudamérica, con énfasis en tres países, Brasil,.

(22) 21 Chile y Argentina. En conclusión, se puede afirmar que Colombia con relación a estos países está altamente atrasada en la adopción y uso de AP, por lo menos en cuatro décadas1. Tema “Construcción de un modelo de agricultura de precisión por medio de una red de sensores inalámbricos, software y hardware abierto enmarcado en la implementación de aplicaciones web y móvil”. Planteamiento del problema La agricultura es una de las actividades de mayor importancia para la preservación del ser humano como especie que habita en comunidad, es aquel mecanismo que sumado a buenas políticas, investigación y desarrollo tiene la capacidad de garantizar una continua seguridad alimentaria al mundo, a nuestros países, regiones, ciudades y hogares. Entre los problemas a nivel mundial a los que se enfrenta actualmente la actividad agrícola, se encuentra el acelerado crecimiento poblacional. La ONU proyecta que en el año 2050 seremos 9.3 Billones personas, lo que se traduce en 9.3 Billones de bocas que alimentar. Esto, sumado al cambio climático, plagas, escases de recursos naturales como agua y suelo hacen que las prácticas agrícolas y específicamente la producción de alimentos se convierta en un enorme desafío al que se debe prestar atención. El reto, según estudios del Global Harvest Initiative2, indica que la productividad agrícola debe incrementarse un 1.75% cada año para alimentar al mundo en el año 2050, dicho aumento sumado al crecimiento poblacional, intensificará la demanda mundial de agua en un 55%. Para la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) ese puede ser el momento crítico donde el 40% de la población podría llegar a vivir una escasez de agua y alimento. Se hace necesario buscar alternativas cada vez mejores para suplir las necesidades de la producción alimentaria. Por medio de la ciencia, tecnología e investigación se han encontrado varias soluciones, como por ejemplo la elaboración de pesticidas más fuertes, abonos químicos, semillas hibridas y la producción de alimentos transgénicos. 1 2. Marco referencial, Agricultura de precisión en algunos países de Sudamérica, pág. 14 http://www.globalharvestinitiative.org/index.php/harvest-2050-blog/.

(23) 22 Indiscutiblemente son herramientas que colaboran en la batalla contra la búsqueda de una producción sostenible, pero que no son una solución definitiva y que al contrario de lo que muchos piensan, son bastante criticadas por diversos grupos ecologistas y productores tradicionales de diferentes lugares del mundo. El problema no solo se centra en el hecho de que los productores adopten o no el uso de semillas transgénicas, o que utilicen pesticidas tan fuertes que agoten sus suelos elevando los niveles de alcalinidad y salinidad, el problema radica en el alto nivel de incertidumbre que supone para el agricultor sembrar un cultivo y la estrecha brecha que existe entre un resultado exitoso, (donde se logran cantidades aceptables de Kilogramos por planta) y un fracaso inminente, cuya situación puede llegar a ser tan complicada y frustrante para el productor, que lo obligue a abandonar las labores del campo al no cubrir siquiera los costos por los insumos utilizados, entre otros ejemplos . Mientras más productores de alimento en los próximos años decidan cambiar su actividad laboral, menor será la probabilidad de alimentar 9.3 Billones de personas a un 100% para el año 2050. La agricultura de precisión se ve como un salvador inmediato, es un compendio de mejores prácticas agrícolas que utiliza avanzados sistemas de información, analítica en tiempo real y modernas máquinas de siembra y cosecha. Es, en definitiva, un paradigma de trabajo desarrollado para los productores del siglo XXI, que se encarga de minimizar los niveles de incertidumbre a partir de una trazabilidad especifica por sitio para cada uno de los terrenos donde se ha sembrado. Controla cada una de las tareas realizadas sobre los cultivos, monitorea la variabilidad ambiental y espacial de las áreas de siembra, además, se caracteriza por almacenar información histórica, décadas de información que hoy en día son de vital importancia en la toma de decisiones, que, con ayuda de la creación de modelos estadísticos y predictivos sumamente confiables, probados por compañías y expertos de varias partes del mundo , son capaces de decir al agricultor en que momento aplicar o no un tratamiento y cuál es la fecha indicada para sembrar determinada especie de cultivo, entre otros muchos beneficios. Estados Unidos y Europa, en especial España son líderes en la adopción y creación de tecnología para agricultura de precisión. En Latinoamérica, Argentina, Chile y Brasil son los.

(24) 23 países con mayor crecimiento de exportación alimentaria y son los principales pioneros en la adopción e investigación de temas relacionados con agricultura de precisión. Sin embargo, a pesar que muchos países hoy utilicen tecnologías de la información en el agro, no quiere decir que la totalidad de sectores agrícolas trabajen con AP, ni que desarrollen buenas prácticas y logren combinar la investigación y la ciencia para el bien de la tierra y la sustentabilidad de la actividad agrícola como practica económica rentable. Sobresalen dos factores que impiden alcanzar esta meta, el primero, los elevados costos en la adquisición de soluciones de AP y el segundo, la ignorancia o desconocimiento por parte de los productores sobre la tecnología existente. Formulación del problema ¿Cómo implementar un sistema de agricultura de precisión escalable y de calidad para productores agrícolas, que sirva de herramienta tecnológica para el mejoramiento en la administración de la tierra, el monitoreo de la variabilidad ambiental en cultivos de diferente especie y que cuente con la capacidad técnica de almacenar información proveniente desde múltiples fuentes de datos con un crecimiento histórico?. Solución Tecnológica La agricultura de precisión propone un modelo útil y eficiente que no compromete la calidad del suelo y que por el contrario propone una solución a la seguridad alimentaria basado en el uso eficiente de tecnología, busca la reducción de insumos (como fertilizantes que agotan los suelos), promueve el empleo de abono orgánico y la reducción del uso excesivo de agua en sistemas de riego, ya sean convencionales o automatizados. A pesar de las fortalezas que ofrece un modelo de agricultura de precisión, se evidencian falencias en lo que a altos costos de implementación se refiere, lo cual hace de la AP una opción poco viable para pequeños, medianos productores e inexpertos en el tema, por esta razón se propone la construcción de una solución tecnológica que integre las características más significativas de diferentes productos de compañías en el mercado global que cuentan con experiencia y casos de éxito evidenciables y las ponga al servicio de aquellos que deseen adquirir e implementar un modelo económicamente y tecnológicamente escalable..

(25) 24 Haciendo énfasis en las necesidades de los costos e inexperiencia de los usuarios, se plantea una solución tecnológica a partir de un modelo de agricultura de precisión que contará con cuatro elementos descritos a continuación: Nodo sensor inalámbrico: Se creará un prototipo de nodo sensor inalámbrico con conectividad WIFI, Bluetooth, ISM, ZigBee y 2G / 3G funcional con energía solar. Además, estará dotado con sensores que registren las variables ambientales relevantes en la agricultura, particularmente las siguientes: -. Monóxido de carbono CO y Dióxido de carbono CO2. -. Radiación UV, Luminosidad. -. Temperatura, humedad del ambiente y suelo. -. Velocidad y dirección del viento. -. Presión atmosférica. Estas variables serán medidas a nivel del suelo además del aire, y provienen del lugar donde se encuentra situado el terreno de siembra. El objetivo principal consiste en registrar toda la variabilidad climática presente en cada uno de los microclimas para posteriormente integrarlos una Plataforma Web desarrollada en NodeJS, que mostrará organizadamente la información recolectada en el campo. Por medio del soporte de las tecnológicas inalámbricas anteriormente enunciadas, los nodos podrán abarcar grandes distancias y transmitir los datos a diferentes destinos. Transmisión directa a la plataforma web, a un nodo central que utilizará un sistema embebido de bajo costo Raspberry Pi para el almacenamiento de información ambiental remota o a una aplicación móvil, esto dependerá de la situación de cobertura inalámbrica de redes 2G / 3G y del tamaño de la implementación, (no es lo mismo un usuario que utilice dos nodos sensores con cobertura 3G en su terreno, a uno que tenga diez nodos sensores sin cobertura de ningún tipo de redes móviles y que prefiera centralizar toda la información de los nodos en uno solo para descargar la información en su teléfono móvil). Plataforma web: Se desarrollará una aplicación web con el fin de tener un soporte histórico de variaciones climáticas, además de permitir a los productores gestionar cada uno de los nodos sensores adscritos a sus parcelas y cultivos. En esta temprana etapa de desarrollo se busca incidir en la mejora de toma de decisiones a partir de dashboards dinámicos y con alto contenido visual. Por otra parte, se intentará escalar.

(26) 25 la solución al máximo por medio del uso de tecnologías de punta, buenas prácticas de desarrollo y herramientas de análisis de código, con el objetivo de obtener y mantener una gran cantidad, variedad y veracidad de registros que en un futuro cercano permitan establecer modelos predictivos. Aplicación móvil: Se diseñará una aplicación móvil multiplataforma, con la cual se espera que los usuarios tengan al alcance de sus manos información referente a la variabilidad ambiental de los cultivos sin la forzosa necesidad que se encuentren ejerciendo labores en sitio. Adecuación de Drone o VANT: Se acoplarán parte de los sensores del nodo sensor inalámbrico a un Drone DJI de la serie Phantom para la medición de la variabilidad ambiental en el aire. Por medio de estas cuatro características se espera brindar a los usuarios una plataforma tecnológica que además de englobar buena parte del concepto de IoT (Internet de las cosas), se enfoque en el valor que tiene la información para los productores agrícolas y se encargue de brindar una amplia gama de tecnologías inalámbricas que faciliten su implementación en áreas rurales. Haciendo énfasis en las necesidades de los usuarios se platea la solución a partir de un modelo de agricultura de precisión que contará con módulos de sensado remoto, el uso de un sistema embebido de bajo costo Raspberry Pi, la creación de una aplicación web y móvil, que brinde al usuario una interacción más fácil y rápida con el sistema aun cuando no se encuentre ejerciendo labores en el campo. Por medio de estos componentes tecnológicos se busca definir un concepto de agricultura de precisión. Dentro de los aspectos y elementos más destacables que países pioneros en Sudamérica, como Chile y Argentina utilizan, se encuentra el uso de censado remoto, para este caso se creará un prototipo de nodo sensor inalámbrico que contará con un sensor de humedad y temperatura que registrará los datos referentes al suelo y el ambiente del lugar en donde se encuentre ubicado en el cultivo. Por medio de un módulo de comunicación inalámbrica este transmitirá los datos a un nodo central, este nodo central será el encargado de recibir las mediciones de temperatura y humedad provenientes de todos los sensores remotos ubicados dentro de la red (punto-multipunto). Este nodo central se encontrará conectado a un ordenador de placa reducida SBC el cual por medio de una aplicación tendrá.