Sistemas inteligentes de irrigación en la agricultura

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. Trabajo de Diploma. Sistemas Inteligentes de Irrigación en la Agricultura. Autor: Relman Morales Machado. Tutores: Dr.C. Eduardo Izaguirre Castellanos Msc. Redney Rodríguez Rodríguez. Santa Clara 2016 “Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. Trabajo de Diploma. Sistemas Inteligentes de Irrigación en la Agricultura.. Autor: Relman Morales Machado e-mail: rmmachado@uclv.edu.cu. Tutores: Dr.C. Eduardo Izaguirre Castellanos Dpto. de Automática, Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV e-mail: izaguirre@uclv.edu.cu. Msc. Redney Rodríguez Rodríguez Empresa de Informática y Comunicación del MINAG (EIGMA) e-mail: espautomatica@esta.cav.minag.cu. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Relman Morales Machado Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Relman Morales Machado. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “La fortuna llovida del cielo corrompe y arruina. Es común la idea falsa de que la agricultura y la industria exigen para desenvolverse fuertes capitales. Lo contrario es lo cierto. Lo que dura y prospera y perdura es lo que nació humildemente y se fue nutriendo de su propia sustancia.” Rafael Barret "Innovar es encontrar nuevos o mejorados usos a los recursos de que ya disponemos" Peter Drucker.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, Mildred y Marcial, quienes han sido dignos ejemplos de superación y entrega, por guiarme hacia delante, sin ellos hoy no fuera posible haber llegado hasta aquí. Va por ustedes, por su valía, su dedicación y porque valoro lo que han hecho de mí..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá Mildred, por ver en ella un gran espíritu de superación, por darme la fuerza que me hacía falta en los momentos precisos y por inculcarme lo necesario para lograr lo que soy. A mi papá Marcial, por ser un ejemplo de profesionalidad a seguir y por apoyarme en todo lo que me propuse, dándome su opinión siempre para hacer de mí una mejor persona. A mis abuelos Nanci (Ita) y Machado (Pipo) y toda mi familia, por brindarme su amor incondicional y quererme sin medidas. A mis tutores el Dr.C. Eduardo Izaguirre Castellanos y el Msc. Redney Rodríguez Rodríguez por ofrecerme sus consejos y conocimientos a lo largo de este Trabajo de Diploma, fue un placer trabajar con ustedes todo este tiempo. A la profesora Ana Gloria, por brindarme su experiencia y siempre estar dispuesta a ayudarme cuando lo necesitaba. A Leya, por estar ahí en los momentos buenos y malos, por darme su apoyo y comprensión durante estos 3 años a mi lado. A Esther, Lianne, Rafa y Alfredo, por acogerme como si fuera uno más de la familia aceptándome tal como soy. A todos los profesores que de una forma u otra han contribuido a mi formación como profesional durante estos 5 años..

(7) iv. RESUMEN. Actualmente, la cuarta parte de los países del mundo tiene insuficiencia de agua tanto en cantidad como en calidad, con lo cual no cabe duda que un uso más intensivo e inapropiado del recurso aumentará los riesgos para la población y supone un grave obstáculo para la producción alimentaria, para el desarrollo económico y para la protección de los ecosistemas. Con este trabajo se pretende investigar acerca de los procedimientos, técnicas y tecnologías relacionadas con la automatización y control de sistemas de irrigación así como sistemas inteligentes aplicados en la agricultura, de manera que se pueda lograr una sistematización del conocimiento en este campo, y de manera particular indagar en las potencialidades de su aplicación en la provincia Ciego de Ávila en la zona oeste del municipio Venezuela en el Proyecto Goteo “El Caballo” donde se implementan casas de cultivo para el desarrollo del mango y guayaba, y de forma general su futura implementación en el contexto del país. Con ello se pretende incursionar en este novedoso campo de la ciencia, el cual brinda logros significativos en el ahorro de portadores energéticos, combustible, agua, etc., así como un aumento de las producciones y abaratamiento de los costos de producción. El proyecto constituye un primer paso de estudio de la agricultura inteligente en Cuba, aplicada de manera particular a los sistemas de irrigación, aspecto innovador no solo en el país sino también en el mundo..

(8) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. Generalidades de los sistemas de riego ..................................................... 6. Riego ........................................................................................................................ 6. 1.1.1. Riego por surcos y por inundación ....................................................................... 7. 1.1.2. Riego por aspersión .............................................................................................. 8. 1.1.3. Riego localizado subterráneo y superficial ........................................................... 8. 1.2. Fertirriego ................................................................................................................. 9. 1.3. Agricultura de precisión ......................................................................................... 11. 1.4. La automatización en los sistemas de riego ........................................................... 13. 1.5. Tecnologías para el riego ....................................................................................... 14. 1.5.1. Sistemas de baja tecnología ................................................................................ 14. 1.5.1.1. Pote de arcilla porosa y red de capsulas de riego ........................................... 14. 1.5.1.2. Sobretensión automática de flujo gravitacional y sistema de riego por tanque 16. 1.5.2. Sistema de alta tecnología .................................................................................. 17. 1.5.2.1. Sistema Basado en el control temporizado ..................................................... 17. 1.5.2.2. Sistema Basado en volumen ........................................................................... 17. 1.5.2.3. Sistema en lazo abierto ................................................................................... 18.

(9) vi 1.5.2.4. Sistema en lazo cerrado .................................................................................. 19. 1.5.2.5. Sistema de realimentación en tiempo real ...................................................... 20. 1.5.2.6. Sistema de control de riego basado en computadoras .................................... 21. 1.6. Generalidades de la automatización en los sistemas de riego ................................ 22. 1.6.1. Ventajas .............................................................................................................. 23. 1.6.2. Desventajas ......................................................................................................... 24. 1.7. Consideraciones del capítulo.................................................................................. 24. CAPÍTULO 2. 2.1. Control Automatizado en el Riego Inteligente ........................................ 25. Agricultura inteligente ........................................................................................... 25. 2.1.1. Controladores basados en el clima ..................................................................... 26. 2.1.2. Controladores basados en la humedad del suelo ................................................ 27. 2.2. Redes de sensores inalámbricas ............................................................................. 28. 2.2.1. Especificaciones de las redes de sensores inalámbricas en la agricultura: ......... 29. 2.2.2. Motes .................................................................................................................. 30. 2.2.3. Estandarización................................................................................................... 31. 2.2.4. Sensores .............................................................................................................. 32. 2.2.5. Aplicaciones ....................................................................................................... 32. 2.3. Microcontroladores ................................................................................................ 35. 2.4. Lógica Borrosa ....................................................................................................... 37. 2.5. Consideraciones del capítulo.................................................................................. 39. CAPÍTULO 3.. Implementación en Cuba de un sistema automatizado de riego inteligente 40. 3.1. Historia de la Agricultura en Cuba......................................................................... 40. 3.2. Actualidad en la automatización del riego inteligente ........................................... 41. 3.2.1. Principales Problemáticas ................................................................................... 42.

(10) vii 3.2.2 3.3. Fundamentos de los sistemas automatizados ..................................................... 43 Normas Para el Riego............................................................................................. 44. 3.3.1 3.4. Calculo de las normas de riego e hidromódulo .................................................. 45 Propuesta de automatización .................................................................................. 49. 3.4.1. Sistema sensorial ................................................................................................ 51. 3.4.2. Comunicación ..................................................................................................... 52. 3.4.3. Control ................................................................................................................ 54. 3.4.4. Valoración económica ........................................................................................ 55. 3.5. Consideraciones del capítulo.................................................................................. 56. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 57 Conclusiones ..................................................................................................................... 57 Recomendaciones ............................................................................................................. 58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 59 ANEXOS .............................................................................................................................. 62 Anexo I. Características básicas del PLC M221 ............................................................ 62.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El agua es un recurso escaso, pero imprescindible para la vida: sólo cerca del 1% del agua del planeta es dulce y accesible para las personas. El consumo de agua se ha triplicado desde el año 1950. La necesidad de lograr un equilibrio hidrológico que asegure el abasto suficiente de agua a la población sólo se puede conseguir armonizando la disponibilidad natural con las extracciones del recurso mediante el uso eficiente del agua (Salvador et al., 2007). La agricultura utiliza el 85% de los recursos de agua dulce disponibles en todo el mundo, y este porcentaje seguirá siendo dominante en el consumo de agua debido al crecimiento demográfico y el aumento de la demanda de alimentos. Hay una necesidad urgente de crear estrategias basadas en la ciencia y la tecnología para el uso sostenible del agua, incluyendo la técnica, agronómica, de gestión, y las mejoras institucionales (Gutiérrez and Juan Francisco Villa-Medina, 2014). Los períodos de seca muestran tendencia a ser más extensos, junto con etapas de precipitaciones que se demoran en llegar. Si a eso se le unen los problemas en la eficiencia de riego, en un futuro cercano tendremos que enfrentar el desafío de producir más con menos agua (Vázquez and Solano, 2013, Lapinel-Pedroso and Rivera, 2015). La gestión del riego es un complejo proceso de toma de múltiples decisiones de los agricultores los cuales determinan cuándo y qué cantidad de agua es necesaria para abastecer un cultivo. En algunos casos el agricultor está muy lejos de la tierra agrícola y no podría ser capaz de notar las condiciones actuales del cultivo. Por lo tanto, en estos casos, la gestión eficiente del agua juega un papel crucial en los sistemas de cultivos agrícolas de regadío. Por lo tanto, se necesita una solución alternativa de bajo costo para la gestión eficiente del agua (Tummala and Nallapati, 2014)..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. En el mundo, países como España, Estados Unidos, La India, México y China, son potencias en este moderno campo donde se han implementado muchos sistemas inteligentes logrando significativos ahorros de agua de hasta un 60% del consumo total, de igual forma se limita el consumo de energía eléctrica en la red nacional y al tener un control de las diferentes variables medioambientales se obtiene una mayor calidad en el producto final. En la literatura especializada, se reportan numerosas investigaciones relacionadas con los sistemas de irrigación inteligentes, un ejemplo es el de (Gutiérrez and Juan Francisco VillaMedina, 2014) en el que se tiene una red inalámbrica distribuida de sensores de humedad del suelo y temperatura colocados en la zona de raíces de las plantas. El sistema automatizado ha sido probado en un campo de cultivo de salvia, demostrándose un ahorro de agua de hasta un 90% en comparación con el que se logró en prácticas tradicionales de riego. Debido a su autonomía energética y bajo costo, el sistema tiene el potencial de ser útil en áreas geográficamente aisladas donde el agua es limitada. La investigación desarrollada en la Universidad Complutense de Madrid, consiste en un sistema de riego inteligente utilizando lógica borrosa que permite simular por software la evolución de un entorno de regadío simple en el tiempo, permitiendo modificar ciertas condiciones ambientales y posibilitando la elección de realizar inferencias para el cálculo del tiempo de riego según lógicas del producto (Salvador et al., 2007). Otro ejemplo lo constituye un sistema de control de riego automático vía internet, proyecto que tiene como principal objetivo el desarrollo de un sistema de riego automático para satisfacer las necesidades de riego de manera inteligente, con un impacto en el ahorro de agua a través del control y monitoreo de la variable humedad del suelo para generar ahorros de hasta un 50% en el consumo total (García, 2013). En este contexto, podemos plantear que la agricultura en Cuba es el sector económicamente más decisivo y estratégico para la economía. Transformaciones profundas se han iniciado en el sector en las últimas décadas, de manera particular en lo relacionado con los sistemas automatizados de riego, donde estamos dando los primeros pasos. En el presente año se lleva a cabo el proyecto de Automatización del riego en la Empresa Agroindustrial “Victoria de Girón” de gran magnitud a nivel nacional implicando a provincias como Ciego de Ávila, Matanzas y Santa clara, donde se desarrollan experimentos.

(13) INTRODUCCIÓN. 3. para introducir la automática acarreando los sistemas inteligentes en el riego de manera que puedan ser aplicados en todos los cultivos facilitando gran flexibilidad. Uno de sus aspectos es la automatización de la red de riego de la empresa, las cuales poseen 198 estaciones electrificadas, este proceso se realizara en dos etapas: una primera etapa que garantizara el arrancado y apagado de las estaciones con información diaria sobre la situación de la estación de bombeo, y una segunda etapa que comprenderá el arranque del sistema en dependencia de la condiciones de humedad del suelo a partir del uso de sensores para calcular la humedad. Además se está trabajando con la empresa EICMA de Ciego de Ávila y Villa Clara como parte del desarrollo que viene llevándose en el país desde hace muy poco tiempo. En la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas se están desarrollando tres proyectos aprobados en el Departamento de Automática y Sistemas Computacionales los cuales pueden tener un aporte significativo en campos como la agricultura de precisión mediante el reconocimiento del estado de los cultivos, el empleo de vehículos de vuelo autónomo y demás aplicaciones; estos proyectos son: . Automatización e Informatización del proceso tecnológico de mecanización de la producción de la caña de azúcar empleando la fotogrametría aérea. AGRODRON. Con el cual se está firmando un convenio de colaboración con el INICA (Instituto Nacional de Investigaciones de la Caña de Azúcar). Dr. Luis Hernández Santana. . Sistemas de fotogrametría de bajo costo, basadas en UAV para el mapeado de agroecosistemas como contribución al aumento de la producción agrícola nacional. Agencia COSUDE (Proyecto Internacional). Suiza. Dr. Luis Hernández Santana. . Mapeado del Agro-ecosistema mediante la fotogrametría de bajo coste, basado en Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV): hacia la puesta en práctica óptima y el análisis de datos. DRONE II. Dr. Luis Hernández Santana. En el presente trabajo se efectúa un estudio relacionado con la automatización de los sistemas de irrigación en la agricultura, para lograr una sistematización del conocimiento en este campo, incursionando además en las potencialidades de su aplicación en el país. Por lo tanto, se plantea el siguiente problema científico: La no existencia en Cuba, de técnicas y procedimientos automatizados para el control inteligente de los sistemas de riego en la agricultura, ni la sistematización del conocimiento en este campo..

(14) INTRODUCCIÓN. 4. De aquí que el presente proyecto de investigación debe responder a las siguientes interrogantes científicas: . ¿Cuáles son las características más importantes relacionadas con los sistemas de riego inteligente?. . ¿Qué elementos, medios técnicos (sensores, actuadores, maquinaria) caracterizan un sistema automático de riego en la actualidad?. . ¿Qué ventajas y desventajas presenta el empleo de sistemas de riego inteligente, de manera particular en países en vías de desarrollo?. . ¿Resulta factible la introducción de sistemas de riego inteligente en el contexto de la producción agrícola cubana?. A partir de las interrogantes científicas anteriores, se enuncia la siguiente Hipótesis de Investigación: Resulta posible analizar los fundamentos para el control inteligente de los sistemas de riego, y evaluar su implementación en el sector de la producción agrícola en Cuba. Como Objetivo General se plantea: sistematizar el conocimiento en relación a los sistemas inteligentes de riego y su aplicación en el sector de la producción agrícola en Cuba mediante una propuesta de implementación. Objetivos específicos: . Analizar los fundamentos teóricos relacionados con los aspectos y temáticas más relevantes en relación con el tema objeto de investigación.. . Evaluar las exigencias y características de los sistemas de riego inteligentes, sus ventajas, prestaciones, funcionalidad, tendencias, desafíos actuales, etc.. . Evaluar los principales sistemas y/o procedimientos existentes a nivel mundial para llevar a cabo el riego inteligente en el sector agrícola. Se incluye los sistemas sensoriales, control, instrumentación, tecnología, infraestructura, y demás aspectos de interés.. . Efectuar una propuesta de aplicación de un sistema de riego inteligente en el sector agrícola en Cuba..

(15) INTRODUCCIÓN. 5. Para el cumplimiento de los objetivos fijados, se definen las siguientes Tareas de Investigación: . Estudio del Marco Teórico Conceptual relacionado con el campo de los sistemas de riego automatizado, con énfasis en el riego inteligente.. . Evaluación de las características, prestaciones, ventajas y desventajas de los sistemas de riego automatizados, incluyendo los sistemas inteligentes.. . Análisis de los componentes tecnológicos, hardware, software, relacionados con el control automatizado del riego en el sector agrícola.. . Establecimiento de las consideraciones respecto a la aplicación en Cuba de los sistemas de riego inteligente.. . Elaboración y presentación del Informe de Investigación.. Estructura de la Tesis: En la introducción del trabajo se mostraron los objetivos trazados, la importancia de la implementación de sistemas inteligentes, así como el estado actual en que se encuentra desarrollado a nivel mundial. Capitulario: La investigación incluye la introducción, tres capítulos, además de las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos correspondientes. A continuación se presenta la información contenida por capítulos: . Capítulo I: Se tratan las generalidades, conceptos y fundamentos de los sistemas de riego, haciendo énfasis de manera particular en los sistemas automatizados.. . Capítulo II: Se destina a incursionar en los tipos y características particulares de los sistemas de control automatizado de riego inteligente, incluyendo esquemas, sistemas sensoriales, hardware y demás aspectos de interés.. . Capítulo III: Se evalúa la factibilidad del empleo de estos sistemas en el contexto particular de Cuba, tomando como referencia de su aplicación el territorio de la provincia Ciego de Ávila en la zona oeste del municipio Venezuela donde se desarrolla el Proyecto Goteo “El Caballo”..

(16) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 6. CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. Este capítulo primeramente está orientado en los principales conceptos y fundamentos relacionados con la automatización de sistemas de riego. Luego se abordan las técnicas, tecnologías, procedimientos, equipamientos y dispositivos relacionados específicamente con los sistemas de riego automáticos en la agricultura así como sus ventajas y deficiencias. 1.1 Riego El riego se puede definir como la ciencia de la aplicación artificial de agua a la tierra o el suelo (Agriculture, 1991, Pasha and Yogesha, 2014). Se utiliza para ayudar al crecimiento de los cultivos agrícolas, el mantenimiento de paisajes, y la revegetación de suelos alterados en las zonas secas y durante los períodos de escasez de lluvias. Además, el riego también tiene algunos otros usos en la producción de cultivos, que incluyen la protección de las plantas contra las heladas, la supresión de las malas hierbas que crecen en los campos de cereales y ayudar en la prevención de la consolidación del suelo (Kumar et al., 2013). El objetivo fundamental del riego es suplir la humedad necesaria y puede ser realizado de varias formas. No obstante sin importar el método de riego usado, el propósito de la irrigación es “el reponer periódicamente el almacenamiento de la humedad del suelo” en la zona radicular de la planta (García, 2013). En la tesis (León, 2015) se define como la aplicación de agua al terreno con los siguientes objetivos: . Proporcionar la humedad necesaria para que los cultivos puedan desarrollarse.. . Asegurar las cosechas contra sequias de corta duración..

(17) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. . 7. Refrigerar el suelo y la atmósfera para de esta forma mejorar las condiciones ambientales para el desarrollo vegetal.. . Disolver sales contenidas en el suelo.. . Reducir la probabilidad de formación de drenajes naturales.. . Dar tempero a la tierra.. Los métodos y técnicas de riego son los encargados de conducir y aplicar el agua para la irrigación, desde la fuente de abasto, red de conducción y lograr el estado de humedad del suelo, es fundamental que estos satisfagan el régimen de riego definido para los cultivos que beneficien, garanticen una adecuada productividad del trabajo y propicien la mecanización y automatización del proceso de riego (León, 2015). Existen muchas formas de implementar el riego, donde los métodos y técnicas más comunes se muestran en la siguiente tabla: Método Superficial. Técnicas Riego por arroyamiento o surcos Riego por bandas Riego por terraza. Aéreo. Aspersión (portátil, semiestacionaria y estacionaria; aspersores viajeros) Máquinas de riego (de pivote central y de desplazamiento frontal). Localizado. Superficial Subterráneo. Tabla 1.1 Métodos y técnicas de riego (León, 2015) 1.1.1 Riego por surcos y por inundación Con estos tipos de riego se incrementa considerablemente el consumo de agua al requerir de grandes cantidades del tan preciado líquido poniéndolo en desventaja para los objetivos que la investigación demanda (figuras 1.1 y 1.2)..

(18) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. Figura 1.1 Riego por surcos.. 8. Figura 1.2 Riego por inundación. 1.1.2 Riego por aspersión El riego por aspersión se rocía en gotas por la superficie de la tierra asemejándose al efecto de la lluvia mostrando un ahorro mayor al logrado con los sistemas de riego por surcos y por inundación, además el agua se puede medir con una buena precisión y no afecta el material vegetal sometido a riego, ya que se elimina la presión que el agua puede ofrecer a las plantas; y como es homogénea su distribución el riego de la vegetación por aspersión es total y se distribuye suavemente el agua sobre toda el área deseada (figura 1.3).. Figura 1.3 Riego por aspersión 1.1.3 Riego localizado subterráneo y superficial El riego por goteo o riego localizado es donde se liberan gotas o un chorro fino, a través de los agujeros de una tubería plástica que se coloca sobre o debajo de la superficie de la tierra. Este permite la utilización óptima de agua y abonos ya que el agua aplicada por este método de riego se infiltra hacia las raíces de las plantas irrigando directamente la zona de influencia de las raíces a través de un sistema de tuberías y emisores (figuras 1.4 y 1.5)..

(19) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. Figura 1.4 Riego por goteo subterráneo. 9. Figura 1.5 Riego por goteo superficial. Es importante saber que los sistemas automatizados deben tener muy claro el tipo de riego que está implementado en correspondencia con el cultivo existente ya que actualmente un gran porcentaje de los sistemas de irrigación automatizados se implementan en el riego localizado ya sea superficial o subterráneo (goteo) debido a que este sistema necesita de gran atención y un análisis de mayor cantidad de variables para su correcto desempeño no así en el riego superficial que demanda grandes cantidades de agua por los requisitos de los cultivos. 1.2 Fertirriego Fertirrigación significa literalmente, aplicación simultánea del agua de riego y los fertilizantes o lo que es igual a la aplicación de los fertilizantes disueltos en el agua de riego, asociada básicamente con los sistemas de riego localizados de alta frecuencia (goteo y microaspersión) (Ferreyra, 2005). La técnica de la fertirrigación permite el fraccionamiento de los fertilizantes, es decir una fertilización día a día según las necesidades diarias de la planta en función del proceso fotosintético, así como un máximo aprovechamiento de los recursos hídricos. La dosificación de fertilizantes distribuida durante todos los días del ciclo del cultivo permite hacer frente a los posibles problemas de contaminación que pueden originarse y que realmente se originan por un exceso transitorio de fertilizantes en el suelo (León, 2015)..

(20) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 10. El sistema de fertirrigación es hoy por hoy el método más racional para realizar una fertilización optimizada y respetando el medio ambiente dentro de la denominada Agricultura Sostenible. La fertirrigación comienza en el cabezal de riego, en donde son mezclados los fertilizantes (solución madre) e inyectados al sistema, esta disolución es conducida por las tuberías hasta llegar a los laterales e infiltrarse por los goteros en el suelo, donde puede ser absorbido por las plantas (Ferreyra, 2005). Ventajas del fertirriego . Los nutrientes se pueden aplicar en la zona de mayor actividad radicular y según las necesidades del cultivo y tipo de suelo.. . Asegura un flujo del agua y los nutrientes, resultando un incremento de relación de crecimiento y de producción.. . Los fertilizantes se localizan en forma homogénea en el bulbo.. . Dosificación racional de fertilizantes.. . La cantidad de agua aplicada puede controlar la proporción de nutrientes en cada momento y la disponibilidad para el consumo de la planta. Ahorro de un 45% del agua.. . Ofrece una mayor versatilidad en el cálculo de la aplicación conociendo las necesidades específicas de las plantas, puede ser aplicado en tiempo predeterminado de acuerdo con el desarrollo y el estado fisiológico de la planta, es conocido que suministrar el fertilizante en varias aplicaciones (dosis) es mejor que en una sola aplicación (dosis) de acuerdo con las necesidades de nutrientes de las plantas, esto da como resultado un mayor incremento de la producción.. . Reducción de pérdidas por lavado y volatilización. Mejor aprovechamiento de los fertilizantes por los cultivos, el ahorro puede alcanzar un 30%.. . Mínimas pérdidas de nutrientes por malezas, lixiviación o escurrimiento.. . No se producen daños de raíces y hojas, ni se compacta el suelo como ocurre en las aplicaciones con equipos tradicionales.. . Genera menos contaminación del agua subterránea a través de un uso reducido de fertilizante..

(21) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. . 11. Ofrece una aplicación de fertilizante al suelo simple y más conveniente que ninguna otra, así ahorra tiempo, labores, equipamiento y energía.. . Menor costo de aplicación de los elementos nutritivos.. . Mayor eficacia y rentabilidad de los fertilizantes.. . La fertirrigación con fósforo y potasio puede alcanzar una profundidad de 50 – 60 cm, lo que facilita una mejor absorción por las plantas.. . Cuando aparecen síntomas carenciales se puede actuar con rapidez para corregirlos.. . Automatización de la fertilización.. Desventajas del fertirriego . Alta inversión inicial.. . Acumulación de sales en el perímetro del bulbo, lo que ocasiona la obturación de goteros.. . Cuando se desea cambiar de cultivo, se debe cambiar el equipo, pues cambian sus necesidades de diseño.. . Requiere agua de buena calidad.. . La mano de obra requerida es más calificada.. . La mayoría de los inconvenientes asociados a la fertirrigación no se deben al método en sí, sino a un manejo incorrecto o al desconocimiento que existe acerca de los aspectos de la nutrición de las plantas.. En ese aspecto se encuentran numerosas contribuciones donde se aprecia el empleo de sistemas de riego automatizado incluyendo la técnica de fertirriego. Se puede considerar trabajos como los de (Boman et al., 2006) y (Goumopoulos, 2012). 1.3 Agricultura de precisión La concepción de agricultura de precisión consta desde hace algún tiempo. Se define como sistema integral diseñado para optimizar la producción agrícola mediante la adaptación del cuidado de suelos y manejo de cultivos para corresponder a la condición única que se encuentra en cada campo, manteniendo la calidad del medio ambiente (Riquelme et al., 2009)..

(22) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 12. El carácter fundamental de la agricultura de precisión se encuentra en la prescripción correcta, posición veraz y las aportaciones de recursos agrícolas precisos (Zhang et al., 2007). Los plaguicidas se pueden aplicar en áreas de infestación de la plaga, lo que reduce la cantidad de plaguicida aplicado y la reducción de la cantidad de pesticida que puede potencialmente afectar el medio ambiente. Los fertilizantes y la cal se pueden aplicar sólo cuando sea necesario. La población de plantas se puede elegir para optimizar los nutrientes del suelo, y la selección de variedades vegetales puede ser elegida para tomar ventaja de las condiciones del campo. El rendimiento del cultivo también puede ser monitoreado mediante vehículos aéreos (figura 1.6) o terrestres (figura 1.7) para crear mapas que muestran las áreas de alta y baja producción de un campo para la mejora de las decisiones de gestión (Glen C. Rains and Thomas, 2009). Hoy en día la agricultura de precisión es un método para estimar, evaluar y comprender los cambios que se producen en los cultivos con el fin de poder determinar las necesidades de riego y fertilizantes, el crecimiento del producto y las fases de maduración, puntos óptimos de siembra y cosecha, lo más exactamente posible, es decir, prevén debidamente las diversas etapas de la producción agrícola. Para tal fin, es importante recopilar tanta información como sea posible en el agua, el suelo, las plantas y el medio ambiente. La agricultura de precisión utiliza numerosas tecnologías e infraestructuras como la instrumentación de datos y sistemas de recolección, sistemas de información geográfica (GIS), sistemas de posicionamiento global (GPS), la microelectrónica y tecnologías inalámbricas (Riquelme et al., 2009).. Figura 1.6 Sistema remoto aéreo. Figura 1.7 Vehículo terrestre auto tripulado.

(23) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 13. 1.4 La automatización en los sistemas de riego Un sistema de riego automatizado se refiere a la operación del sistema junto a la vigilancia con ninguna o mínima intervención manual. Casi todos los sistemas (goteo, aspersión, superficie) se pueden automatizar con ayuda de temporizadores, sensores para ordenadores o aparatos mecánicos. Hace que el proceso de irrigación sea mucho más eficiente permitiendo que los trabajadores se puedan concentrar en otras tareas agrícolas importantes. Por otro lado, un sistema de este tipo puede ser costoso, muy complejo en su diseño y puede necesitar expertos para planificar y ejecutar la misma. La automatización de los sistemas de riego tiene varios efectos positivos. Una vez instalado, la distribución de agua en los campos o jardines de pequeña escala son más fácil y no tiene que ser controlada de forma permanente por un operador. Hay varias soluciones para el diseño de sistemas de riego automatizados. Los sistemas modernos de gran escala permiten grandes áreas a ser gestionados por un solo operador. Rociadores, sistemas de goteo o riego por goteo subterráneo que requieren bombas y algunos componentes de alta tecnología, si se utilizan para grandes superficies se requieren operadores cualificados. También existen soluciones de alta tecnología utilizando Sistemas de Información Geográfica (GIS) y satélites para medir de forma automática las necesidades del contenido de agua de cada parcela de cultivo y optimizar el sistema de riego. Desde el punto de vista del control automatizado, la correcta operación de un sistema de irrigación debe considerar la correspondencia entre la cantidad de agua que se aporta al suelo (o a la zona de la raíz de la planta) y la cantidad de agua (en volumen o en tiempo) que se necesita para el correcto crecimiento del cultivo específico. De aquí se deriva que una de las funciones principales que debe cumplir todo sistema de riego automatizado radica en el manejo adecuado y explotación de los recursos hídricos, componentes técnicos, maquinaria y equipamiento, buscando garantizar que la proporción existente entre la cantidad de agua utilizable y la que debe ser usada, es decir disponibilidad versus necesidad, se efectúe de la manera más racional posible. A esto se suman tareas como operación, supervisión y control de los parámetros asociados con el proceso de riego, así como la medición de las variables.

(24) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 14. que permiten disponer de la información necesaria para llevar a cabo el control automatizado de forma eficaz como se aprecia en la figura 1.8.. Figura 1.8 Interrelación de los elementos relacionados con el riego automatizado. 1.5 Tecnologías para el riego La automatización de sistemas de riego se refiere a la operación del sistema sin o con mínimas intervenciones manuales. La automatización de riego está justificada cuando una gran superficie de regadío se divide en pequeños segmentos llamados bloques de riego o segmentos que se riegan en secuencia para que coincida con la descarga disponible de la fuente de agua. Existen sistemas de baja y de alta tecnología que de una forma u otra contribuyen al ahorro del agua. 1.5.1 Sistemas de baja tecnología Existen métodos eficaces sin ningún tipo de suministro de energía. La optimización de un sistema mecánicamente con la ayuda de la gravedad puede automatizar un proceso de irrigación. Ejemplos de ello son los sistemas de riego por goteo o los sistemas descritos a continuación. 1.5.1.1 Pote de arcilla porosa y red de capsulas de riego Este antiguo sistema se ha modernizado y se ha vuelto a aplicar en zonas con escasez de agua. La tecnología consiste en el uso de macetas de barro y cápsulas porosas para mejorar.

(25) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 15. las prácticas de riego mediante el aumento de almacenamiento y mejorar la distribución de agua en el suelo. Esta tecnología de riego de bajo volumen se basa en el almacenamiento y distribución de agua al suelo, el uso de macetas de barro y cápsulas porosas interconectadas por tuberías de plástico. Se utiliza un depósito de nivel constante para mantener una presión hidrostática constante. Las ollas de barro están abiertas en la parte superior y por lo general se cuecen en hornos caseros después de haber sido fabricado a partir de arcilla obtenida localmente o arcilla mezclada con arena. Las ollas, generalmente de forma cónica y con una capacidad de entre 10 y 12 litros, están enterrados parcialmente en el suelo con sólo la parte superior sobresaliendo en la superficie. La distribución se realiza mediante tuberías de plástico (PVC) para garantizar una permeabilidad y porosidad bastante uniforme (figura 1.9). Un sistema similar utiliza contenedores cerrados o cápsulas porosas completamente enterradas en el suelo. Estos contenedores distribuyen el agua, ya sea por succión, la acción capilar dentro del suelo, o por la presión externa proporcionada por un depósito de nivel constante. Cada cápsula normalmente tiene dos aberturas para permitir la conexión de la tubería de plástico (PVC) que interconecta las cápsulas. La capacidad de estas cápsulas oscila entre 7 y 15 litros, y los tanques de almacenamiento de suministro del sistema se elevan 1 o 2 m por encima de la superficie del suelo. Las cápsulas están enterrados en una línea de 2 metros entre sí, al menos 10 cm debajo de la capa superior del suelo. El número de botes o cápsulas usadas depende de la superficie de cultivo, las condiciones del suelo, el clima y el tamaño del bote.. Figura 1.9 Ejemplos de potes de arcilla porosos y red de capsulas de riego.

(26) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 16. 1.5.1.2 Sobretensión automática de flujo gravitacional y sistema de riego por tanque Este sistema de irrigación de flujo por gravedad intermitente se ha utilizado casi exclusivamente para la pequeña agricultura y la jardinería doméstica. Antes del desarrollo de esta tecnología, las válvulas controladas electrónicamente se utilizaron para producir flujos de agua intermitentes para el riego, esas válvulas son caras y requieren algún tipo de formación técnica para operar. El sifón sustituye a estas válvulas con un dispositivo que sería más rentable y más fácil de operar y mantener con un consumo mínimo de energía. El sistema consta de un tanque de almacenamiento equipado con uno o más sifones. El agua en el tanque fluye hacia el campo debido al efecto sifón. Tan pronto como el depósito está vacío, el flujo se detiene. Para el siguiente proceso de riego, el depósito tiene que ser llenado en marcha para reiniciar el efecto sifón nuevamente (figura 1.10).. Figura 1.10 Flujo gravitacional mediante un sifón Otro sistema que produce resultados similares es el uso de un tanque de almacenamiento con una descarga por el fondo. Está equipado con un flotador, que permite la apertura y cierre cíclico de una puerta en la parte inferior del tanque. En efecto, la operación del flotador es similar al mecanismo en el tanque de almacenamiento de un sistema de descarga del inodoro. Los materiales normalmente utilizados en la construcción de los tanques de almacenamiento de agua son de grava y cemento, hormigón armado o de plástico. Los sifones se construyen generalmente de un material plástico flexible..

(27) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 17. 1.5.2 Sistema de alta tecnología También existen métodos que usan las tecnologías actuales para lograr mayor eficiencia mediante el monitoreo y el chequeo de variables del medo ambiente y de la propia planta logrando una realimentación para que todo fluya de una manera automática y en tiempo real en dependencia de la aplicación que se implemente. Estos son seis de los sistemas de alta tecnología más usados actualmente. 1.5.2.1 Sistema Basado en el control temporizado Los controladores de tiempo de riego, o temporizadores, son una parte integral de un sistema de riego automatizado. Un temporizador es una herramienta esencial para aplicar agua en la cantidad necesaria en el momento adecuado. Los temporizadores pueden conducir a un exceso de riego insuficiente si no se programan correctamente o que la cantidad de agua se calcula de forma incorrecta (Cardenas-Lailhacar et al., 2008). El tiempo de funcionamiento (tiempo de riego - horas por día) se calcula en función del volumen de agua (requerimiento de agua - litros por día) requerida y la tasa media de flujo de agua (cantidad de aplicación litros por hora). Un temporizador inicia y detiene el proceso de riego (Rajakumar et al., 2008) clasificando como un sistema de control del tipo on-off. 1.5.2.2 Sistema Basado en volumen Consiste en aplicar en un segmento del campo una predeterminada cantidad de volumen de agua, donde la dosificación o cantidad adecuada del líquido usualmente se logra mediante el control ejercido por válvulas automáticas metradas capaces de medir el volumen de agua (figura 1.11-a). Las válvulas están diseñadas para automáticamente cortar el suministro de agua después de entregar con elevada exactitud (±2 %) la cantidad de agua prefijada (BERMAD, 2009). Se pueden aplicar en sistemas de riego semiautomático y manual con posibilidad futura de computarizar (figura 1.11-b)..

(28) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. (a). 18. (b). Figura 1.11 (a) Válvula de control hidráulica actuada por diafragma; (b) aplicación en sistema de riego no computarizado. La principal ventaja de los sistema de riego basados en el volumen a través del sistema basado en el tiempo es que se asegura la entrega de la cantidad predeterminada de agua con independencia de la disponibilidad continua de la electricidad, pero el sistema de base de tiempo es comparativamente más barato y por lo tanto gana más popularidad que el sistema basado en volumen (Rajakumar et al., 2008). Un ejemplo de un método de riego basado volumen es el de (Zella et al., 2006) donde el modelo describe con precisión la distribución de la presión y se descarga a todos los emisores de la red. En este caso, la descarga total y la presión total requerida, la uniformidad de la presión y las descargas se determinan para cada patrón de diseño. Se aplica la combinación de las tuberías de la red de distribución de tamaño y uniformidad (requerimiento de agua de las plantas) para garantizar una explotación óptima teniendo en cuenta los límites impuestos por las normas específicas de micro riego y los límites técnicos de la velocidad y la tolerancia a la presión. El diseño es importante para aumentar el rendimiento en las regiones áridas y semiáridas, para conservar el agua y el suelo, así como la utilización económica de la energía. 1.5.2.3 Sistema en lazo abierto En un sistema de lazo abierto, el operador toma la decisión sobre la cantidad de agua que debe aplicarse y el momento en el que se designa el riego. El controlador está programado correspondientemente y el agua se aplica de acuerdo a la programación deseada. Sistemas de control de lazo abierto utilizan ya sea la duración de riego o un volumen aplicado.

(29) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 19. especificado para fines de control. Normalmente vienen con un reloj que se utiliza para iniciar el riego. La terminación de la irrigación puede estar basado en un tiempo preestablecido o se puede establecer en un volumen especificado de agua que pasa a través de un medidor de flujo. Los sistemas de control de lazo abierto son típicamente de bajo costo y fácilmente disponibles de una variedad de vendedores. Varían en el diseño y la complejidad y a menudo ofrecen flexibilidad en cuanto al número de zonas y como son los horarios de riegos. El inconveniente de los sistemas de lazo abierto es su incapacidad para responder automáticamente a las condiciones cambiantes en el medio ambiente. Además, pueden requerir la reposición frecuente para alcanzar altos niveles de eficiencia de riego (Boman et al., 2006). 1.5.2.4 Sistema en lazo cerrado Una versión sencilla de un sistema de control de lazo cerrado es la de un controlador de riego. Un sensor de humedad interrumpe el proceso de irrigación. Cuando la humedad del suelo cae por debajo de un cierto umbral, el dispositivo de detección cierra el circuito, permitiendo que el controlador accione la válvula eléctrica y se inicia el riego (Boman et al., 2006). Los sistemas en lazo cerrado (Feedback Control Systems) responden al diagrama de bloques genérico mostrado en la figura 1.12.. Figura 1.12 Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado..

(30) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 20. En sistemas de lazo cerrado, el operador desarrolla una estrategia de control general. Una vez que se define la estrategia general, el sistema de control se hace cargo y hace que las decisiones específicas sobre cuándo aplicar agua y la cantidad de agua a aplicar. Este tipo de sistema requiere retroalimentación a partir de uno o más sensores. Las decisiones de riego se hacen y las acciones se llevan a cabo sobre la base de los datos de los sensores. En este tipo de sistema, la retroalimentación y el control del sistema se llevan a cabo de forma continua. Los controladores de lazo cerrado requieren la adquisición de datos de los parámetros ambientales (tales como la humedad del suelo, la temperatura, la radiación, la velocidad del viento, etc.), así como los parámetros del sistema (presión, caudal, etc.). El estado del sistema se compara con un estado deseado especificado, y la decisión de si o no para iniciar una acción sobre la base de esta comparación. Los controladores de lazo cerrado suelen basar sus decisiones de riego en los sensores que miden el estado de humedad del suelo mediante sensores o utilizan los datos climáticos para estimar el uso del agua por las plantas (figura 1.13)(Boman et al., 2006).. Figura 1.13 Sistema de riego en micro plantación de cítricos de regadío. 1.5.2.5 Sistema de realimentación en tiempo real Esta aplicación de la irrigación automática se basa en las demandas dinámicas reales de la propia planta; en la zona de la raíz de la planta es donde se refleja efectivamente todos los factores ambientales que actúan sobre la planta. Operando dentro de parámetros controlados, la planta en sí determina el grado de riego requerido. Varios sensores, tensiómetros, sensores de humedad relativa, sensores de lluvia, sensores de temperatura, etc. controlan la.

(31) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 21. programación del riego. Estos sensores proporcionan retroalimentación al controlador para controlar su funcionamiento (Rajakumar et al., 2008). 1.5.2.6 Sistema de control de riego basado en computadoras Un sistema de control basado en ordenador consiste en una combinación de hardware y software que actúa como un supervisor con el fin de gestionar el riego y otras prácticas relacionadas tales como fertirrigación y mantenimiento (figura 1.14). En general, los sistemas de control basados en computadoras que se utilizan para gestionar los sistemas de riego (por ejemplo, sistemas de riego por goteo) se pueden dividir en dos categorías: sistemas interactivos y sistemas totalmente automáticos (Rajakumar et al., 2008). Sistemas interactivos Los sistemas interactivos generalmente se construyen en torno a una microcomputadora, ya sea un ordenador personal estándar (PC) o una unidad especialmente diseñada. La información se transfiere a una unidad central, ya sea directamente de los sensores en la tubería o de las unidades intermedias que recogen los datos de una serie de sensores y luego transformados y almacenados temporalmente para su posterior transferencia a la computadora central. Estos sistemas tienen características que permiten al operador transmitir órdenes a las diversas unidades de control del sistema de riego. Los dispositivos de campo, tales como válvulas, reguladores, bombas, etc. están equipados con servomecanismos de accionamiento eléctrico, que permiten el accionamiento de las bombas, el cierre y apertura de las válvulas, y el ajuste de las válvulas piloto de reguladores de flujo. Este tipo de sistema permite al operador regular el flujo desde el ordenador central mediante el control de los parámetros de flujo tales como la presión y el caudal, de acuerdo a las necesidades específicas en el momento dado, y para recibir información inmediata sobre la respuesta del sistema. Sistemas totalmente automáticos En los sistemas totalmente automatizados el factor humano se elimina y se sustituye por un ordenador programado específicamente para reaccionar apropiadamente a cualquier cambio.

(32) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. 22. en los parámetros monitorizados por los sensores. Las funciones automáticas se activan mediante la retroalimentación de las unidades de campo y correcciones en los parámetros de flujo de control de los dispositivos en el sistema de riego hasta que se alcance el nivel de rendimiento deseado. Los sistemas automáticos también pueden realizar funciones auxiliares, tales como detener el riego en caso de lluvia, la inyección de ácido para controlar el pH, la emisión de alarmas, etc. La mayoría de los sistemas de control incluyen la protección en situaciones de emergencia, tales como la pérdida del líquido manejado debido a la explosión del conducto. Se cierran la válvula principal de todo el sistema o de una ramificación, cuando se informa por los sensores una tasa de flujo alta o una caída de presión inusual.. Figura 1.14 Panel de control mostrando temporizadores, controladores de humedad del suelo y el cableado de válvulas solenoides y dataloggers de los medidores de flujo. 1.6 Generalidades de la automatización en los sistemas de riego Los sistemas de riego automático necesitan ser operados por trabajadores cualificados y realizarle mantenimientos con frecuencia. El mal funcionamiento de los sensores y válvulas tienen que ser evitados a toda cosa y los trabajos de reparación común deben ser considerados. Principio de trabajo. El sistema de riego es automatizado ya sea mecánicamente o electrónicamente. Esto permite que el riego sea muy eficiente..

(33) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. Capacidad / Adecuación. 23. Cada sistema de riego se puede automatizar haciéndolo más eficiente.. Rendimiento. Alto. Costo. Depende del tamaño del sistema de riego y el grado de automatización. De muy pequeña (temporizador que. activa la. válvula) hasta sistemas de gran escala (por ejemplo, sistema de retroalimentación en tiempo real). Compatibilidad de autoayuda. Se requiere experto en diseño de sistemas comerciales. Un sistema a pequeña escala puede ser instalado por el agricultor.. Operación y Mantenimiento. Estos sistemas necesitan ser operados por trabajadores cualificados y mantenido con frecuencia.. También. vigilancia. cuidadosa.. requieren. una. El. buen. funcionamiento de los sensores y válvulas, así como la reparación de trabajo común tienen que ser considerado. Confiabilidad. Muy fiable si se opera y se mantiene así.. Principal Fortaleza. Alta eficiencia en las aplicaciones con agua. Principal Debilidad. Los diseños complejos pueden ser costosos. Tabla 1.2 Generalidades de la automatización en los sistemas de riego 1.6.1 Ventajas . La automatización elimina la operación manual de las válvulas de apertura o cierre.. . Posibilidad de cambiar la frecuencia de los procesos de riego, fertigación y optimizar estos procesos..

(34) CAPÍTULO 1. Generalidades de los sistemas de riego. . 24. La adopción de los sistemas de cultivo avanzados y nuevas tecnologías, especialmente los nuevos sistemas de cultivo que son complejos y difíciles de operar manualmente.. . El uso de agua de diferentes fuentes y una mayor eficiencia en el uso de agua y fertilizantes.. . El sistema puede ser operado por la noche, la pérdida de agua por evaporación está por lo tanto minimizada.. . El proceso de riego se inicia y detiene exactamente cuando sea necesario, optimizando de esta manera los requerimientos de energía.. 1.6.2 Desventajas . Los sistemas pueden ser muy caros.. . La compatibilidad de autoayuda es muy bajo con los sistemas de gran escala, que son muy complejos.. . La mayoría de los sistemas de riego automatizados necesitan electricidad.. 1.7 Consideraciones del capítulo Casi todos los sistemas de riego pueden ser automatizados solo con saber las características específicas de cada uno dándole una gran fiabilidad. Tiene sentido en todas las regiones del mundo, ya que ahorra tiempo y agua. Además, los diseños de alta tecnología permiten un riego muy eficiente es decir, pueden medir los volúmenes de agua con mayor precisión. Una vez que el sistema está optimizado, los trabajadores no tienen que preocuparse por el proceso de riego y pueden concentrarse en tareas más importantes. El usos de la automatización en la agricultura para los sistemas de riego es uno de los pasos fundamentales en la actualidad como se ha visto en este capítulo, hoy en día se cuenta con esta tecnología permitiendo alcanzar grandes pasos no solo en el ahorro de agua, combustible o electricidad, sino. también fomentar la calidad del producto final y aumentando la. producción a pesar de que su costo inicial puede variar en dependencia del tamaño del proyecto pero sus beneficios son permisibles con el tiempo..

(35) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. 25. CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. Después de establecidas las generalidades de los de la automatización en los sistemas de riego, se indagará de forma más específica en los sistemas de riego inteligente y de ella profundizar en los tipos y/o variantes incluyendo la Red de Sensores Inalámbricos, lógica Fuzzy, sistemas basados en microprocesadores, sistemas remotos, internet. Además se pondrán ejemplos de las aplicaciones en dependencia del tipo de cultivo y los medios técnicos y sus implementaciones. 2.1. Agricultura inteligente. La tecnología de riego inteligente abarca cualquier tecnología de riego que ayuda a aplicar el agua en el paisaje de manera eficiente con el ahorro de agua. Los controladores de riego inteligentes han estado en la vanguardia de la nueva tecnología de riego inteligente. Un controlador inteligente utiliza la información del medio ambiente tales como el clima o la humedad del suelo para ajustar el horario de riego para condiciones ambientales cambiantes. La escasez de agua a nivel mundial también se está haciendo hincapié en la necesidad de sistemas que no sólo controlen el riego de los cultivos sino que también proporcionen la forma inteligente para proveer de agua a sólo aquellos lugares donde se necesita y en la cantidad necesaria. Mediante el control de la humedad del suelo, Humedad de la hoja, temperatura y humedad relativa, y teniendo en cuenta los otros parámetros como la profundidad de las raíces de la planta, de la textura de la arena y del agua Capacidades de almacenamiento del suelo, utilizar las capacidades de agua de la Planta para poder hacer un uso eficiente de los recursos hídricos, así como en la consecución de alto rendimiento (Patil and B.L.Desai, 2013)..

(36) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. Monitorea condiciones ambientales locales. Analiza necesidad hídrica del cultivo Cálculo de evapotranspiración. 26. Irriga en forma automática hasta satisfacer la necesidad del cultivo. En tiempo real Figura 2.1 Esquema general de un Sistema de Riego Inteligente La nueva generación de sistemas de riego "inteligentes" monitorea el clima, las condiciones del suelo, la evaporación y el uso del agua en las plantas y ajusta automáticamente el programa de riego (Water, 2015). Se desarrollaron los controladores inteligentes para mejorar la eficiencia del riego y la conservación de agua en el paisaje mediante el ajuste automático de las condiciones climáticas estacionales o de corto plazo. Los controladores inteligentes utilizan datos ya sea de humedad del suelo o el clima para realizar estos ajustes, ya sea cambiando la cantidad de tiempo para ejecutar el sistema de riego o la frecuencia de riego. Estos cambios reflejan las condiciones climáticas estacionales de corto plazo y ayudan a prevenir el riego innecesario. 2.1.1 Controladores basados en el clima Utilizan la información meteorológica específica del sitio (figura 2.2) para derivar los valores de evapotranspiración (ET) en el paisaje. La evapotranspiración es la combinación de la evaporación y la transpiración de las plantas. Constituyen una nueva generación de controladores inteligentes de riego. Su operación se basa en el empleo de información actualizada y datos acerca de los parámetros y variables meteorológicas que definen el tiempo climático, para adaptar la planificación del riego en función de las fluctuaciones del clima y cambios ambientales (WaterSense®, 2012)..

(37) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. 27. Figura 2.2 Estación de clima Weathermatic junto a su panel de control Esta novedosa tecnología ofrece como ventajas fundamentales que automáticamente ajusta la irrigación de manera diaria o semanal basado en variables climáticas locales especificas (tipo de suelo, humedad del aire, temperatura, radiación solar); pudiendo operar indistintamente en régimen manual o automático. Como desventajas tenemos que se requiere de una infraestructura desarrollada (internet, satélites, radio enlace, telefonía celular, tecnología Web), que depende de la información sensorial, datos e información suministrada por los sistemas sensoriales, necesita disponer de datos históricos del clima para su mejor ajuste y operación, así como inspección periódica del terreno y el entorno para verificar el correcto funcionamiento del sistema. Son altamente costosos y dependen de personal especializado para su instalación, mantenimiento y operación. 2.1.2 Controladores basados en la humedad del suelo Utilizan sensores de humedad del suelo enterrados para realizar un seguimiento del estado de humedad disponible en la zona de las raíces. Los sensores de humedad del suelo (figura 2.3) pueden reducir el número de eventos de riego innecesarios. La automatización de sistemas de riego basados en sensores de humedad del suelo tiene el potencial para maximizar la eficiencia del uso del agua mediante el mantenimiento de la humedad del suelo a niveles óptimos. La mayoría de los sensores de humedad del suelo están diseñados para estimar el contenido volumétrico de agua del suelo sobre la base de la constante dieléctrica del suelo, que refleja la capacidad del suelo para transmitir la electricidad, las constantes aumentan a medida que el contenido de agua del suelo aumenta. Evaluación comparativa de la constante.

(38) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. 28. dieléctrica de acuerdo con este concepto, el contenido de agua a capacidad de campo (el límite superior del régimen) se considera que representa el 100 por ciento de disponibilidad de agua para el crecimiento de los cultivos, mientras que el contenido de agua en el nivel en el que las plantas se marchitan (el límite inferior de el régimen) se considera que representa 0 por ciento disponibilidad de agua (ITU-NEWS, 2015).. Figura 2.3 Sensores de humedad del suelo 10HS, EA-10 y ES1110 2.2. Redes de sensores inalámbricas. Mediante el uso de la información es posible tomar las decisiones oportunas para lograr un máximo desempeño o rendimiento de los recursos que empleamos. Para eso los sensores son los encargados de suministrar esta información que el ser humano no puede lograr con la precisión o el volumen adecuado. En el caso de la agricultura se pueden muestrear una gran cantidad de variables como por ejemplo la humedad de la tierra, el pH de la tierra, la humectación de las hojas, la humedad relativa del aire, la temperatura, las condiciones medioambientales, la cantidad de luz solar, etc. Para lograr anticiparnos a las variaciones tanto indirectas como directas necesitamos tener la información apropiada en el momento justo. Las redes de sensores forman parte indispensable frente a la falta de información, con el detalle correcto y en el momento apropiado. La red de sensores es un sistema formado por nodos que se comunican entre ellos censando algunas variables físicas convirtiéndolas en datos digitales enviándolas, ya sea hacia otro nodo o a un nodo central para procesarlas y convertirlas en información útil. En este sistema se presentan algunas interrogantes y problemáticas como el suministro de energía de los nodos para la transmisión de datos. También se plantea el diseño de la red ya que los sensores pueden contar con movilidad o ser ubicados en un lugar fijo pero inaccesible. El rápido crecimiento de las tecnologías de las redes de sensores inalámbricos (WSN) es una ventaja para el sector agrícola. Los modernos avances en el desarrollo de WSN ofrecen nuevas tendencias. Muchas de las tecnologías inalámbricas han formado parte en la.

(39) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. 29. implementación de sensores inalámbricos en la agricultura de precisión desde dispositivos basados infra-rojo-simples (IrDAs) para distancias muy cortas a sistemas de largo alcance basados en la telefonía móvil, tales como GSM / GPRS. En medio de ellos se encuentran las WPAN (Wireless Personal Area Networks) para distancias cortas, tales como Bluetooth (10m) y ZigBee (70m) y WLAN (Wireless Local Area Networks) para distancias intermedias (100 m). Dentro de la categoría de WPAN están incluidas las redes de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Networks) un tipo de red autónoma integrado por cientos o miles de dispositivos o motes de baja velocidad inteligentes que son generalmente alimentados por batería (Riquelme et al., 2009). En (Córdoba and Buitrago, 2013) se definen las WSN como una red de característica autoconfigurable integrada por un pequeño número de nodos sensores también llamados motes distribuidos espacialmente y comunicados entre sí mediante señales de radio, con la finalidad de monitorizar y entender el mundo físico “para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión y movimiento o los contaminantes” 2.2.1 Especificaciones de las redes de sensores inalámbricas en la agricultura: . La topología de la red no tiene por qué ser fijo; los nodos se pueden implementar arbitrariamente y adaptados a las necesidades cambiantes. Por ejemplo, los nodos se pueden colocar en cualquier lugar de un campo de cultivo, pudiendo hacer el arreglo que sea deseado. Un nodo se puede quitar o añadir directamente sin tener que reconfigurar todos los demás nodos.. . Son más tolerante a errores que otros tipos de redes, puesto que un fallo en un nodo se compensa automáticamente por cambio de ruta a través de los otros nodos gracias a las posibilidades intrínsecas de reconfiguración de la red dinámica.. . El consumo de energía por los nodos está optimizado de tal manera que puedan ser alimentados únicamente por baterías o sistemas basados en energías renovables (solar, eólica o hidráulica) (Morais et al., 2008). De esta manera, el suministro de energía está asegurada durante todo el tiempo de vida del nodo al menos un ciclo agrícola..

(40) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. . 30. Los sensores utilizados en la agricultura de precisión por lo general tienen que ser robustos, precisos y de alta resolución y por lo tanto son relativamente costosos, pero la tendencia actual es la de insertar sensores en las motas, lo que reduce drásticamente su costo.. 2.2.2 Motes Los Motes (figura 2.4) normalmente consisten en un procesador, un módulo de radio, una fuente de alimentación y uno o más sensores montados en el mismo o conectado al mismo mote. El procesador controla todas las funciones del nodo (acceso a los sensores, el control de las comunicaciones, la ejecución del motor de estado, etc.). El módulo de radio transmite y recibe a través de un estándar de comunicación. Las normas que mejor se adapten a las exigencias impuestas por el desarrollo de las redes de sensores y que incorporan la mayoría de los módulos de radio utilizados en las motas son IEEE 802.15.4 y ZigBee los que les permite pasar del estado de latencia a realizar la transmisión necesaria y rápidamente volver a ese estado de mínimo consumo energético (Gascón, 2010). Estos estándares están diseñados para aplicaciones en las que la velocidad de transferencia no es muy grande, pero que hacen posible que los nodos de la red puedan ser alimentados por baterías y para funcionar durante semanas o incluso meses sin necesidad de recarga (Riquelme et al., 2009). Para extender la vida de la batería, periódicamente un nodo WSN se enciende y transmite datos alimentándose del radio y posteriormente apagándose para conservar energía. La tecnología de radio WSN debe lograr la eficiencia en la transmisión de una señal y permitir al sistema regresar al estado de latencia (modo sleep) con un uso mínimo de energía. Esto significa que el procesador involucrado debe ser capaz de despertar, encenderse y volver al modo de latencia de manera eficiente. La tendencia del microprocesador para WSN incluye la reducción de consumo de energía mientras mantiene o incrementa la velocidad de procesador. Parecido a su opción de radio, la compensación de consumo de energía y velocidad de procesamiento es clave al seleccionar procesador para WSN..

(41) CAPÍTULO 2. Control Automatizado en el Riego Inteligente. 31. Figura 2.4 Ejemplo de mote (Placa Waspmote). Anatomía del Mote El mote en su estructura consta de (figura 2.5): . Un procesador que puede encontrarse en diferentes modos (dormido, ocioso, dormido). . Fuente de alimentación (baterías o paneles solares). . Memoria para almacenamiento de datos y uso del programa. . Radio utilizado para la comunicación. . Sensores. Figura 2.5 Anatomía del Mote 2.2.3 Estandarización Dada la particularidad de los requerimientos que las redes de sensores sin hilos necesitan, para mayo de 2003 se impulsó la creación del estándar IEEE 802.15.4 que se concluyó para.