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En qué consisten estas redes y sus principales aplicaciones en las explotaciones agrícolas

Redes de sensoresinalámbricos en la agronomíaDurante los últimos años, el uso de redes de sensoresinalámbricos se ha extendido de una manera creciente enmuchos campos tecnológicos. En general, los sensores captandiversos tipos de señales para ser procesadas, posteriormente,en un ordenador central que permite gestionar o actuar sobreun determinado proceso. Concretamente, las redes de sensoresinalámbricos están constituidas por un conjunto de dispositivosautónomos, o nodos de pequeño tamaño, de muy bajo consumo,que permiten una comunicación sin cables. Los sensores seconectan entre si a través de una red y estos, a su vez, vanconectados a un sistema central. Este sistema se encarga derecopilar la información recogida por cada uno de los sensores.

Molina Martínez, J. M'; Soto Valles, F7;

Jiménez Buendía, M 7 y Ruiz Canales, A'.

' Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica.Universidad Politécnica de Cartagena (Murcia).'Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial. UniversidadPolitécnica de Cartagena (Murcia).'Escuela Politécnica Superior de Orihuela. Universidad MiguelHernández. Orihuela (Alicante).

L

as redes de sensores inalámbricas(WSN, wireless sensor networks), ini-cialmente desarrolladas para usos mi-litares, se han ido extendiendo a otros

campos de aplicación y, actualmente, pode-mos encontrar aplicaciones en diferentesámbitos de la agronomía: programación deriegos, control de plagas y enfermedades,control de granjas de ganadería de cría, in-dustrias agroalimentarias, automatización deinvernaderos, etc. (Proyecto Medwsa, 2009).

Las WSN consisten en un conjunto de dis-positivos autónomos, o nodos, de pequeño ta-maño, de muy bajo consumo y capaces deuna comunicación sin cables, interconectadosentre sí a través de una red y a su vez conecta-dos a un sistema central encargado de recopi-lar la información recogida por cada uno de lossensores. Un tipo de WSN son las WSAN (wire-

less sensor and actor networks), que ademásde disponer de sensores inalámbricos incluyenactuadores (Proyecto Medusa, 2009).

Los nodos (también conocidos como mo-tes o motas), que utilizan sensores para mo-nitorizar condiciones físicas y ambientales(denominados nodos de medida o nodossensores), son distribuidos geográficamenteen los lugares estratégicos donde se pretendellevar a cabo la medida. Estos nodos de me-dida se comunican de forma inalámbrica conun dispositivo central (denominado, pasarelao gateway), el cual proporciona una conexiónal entorno cableado (estación base, consti-tuida por un ordenador o sistema embebido)

IlldaFIURAL (1/Marzo/2010)

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donde se pueden adquirir, procesar, analizar ypresentar los datos. Para incrementar la dis-tancia y la fiabilidad en una red de sensoresinalámbrica, se pueden usar nodos enrutado-res para lograr un enlace de comunicaciónadicional entre los nodos finales y el gateway.

Actualmente, los nodos integran un proce-sador, una pequeña memoria, sensores y co-municación inalámbrica. Al estar dotados conun procesador, estos nodos son capaces dellevar a cabo ciertas tareas de computaciónlocales sobre los datos adquiridos, lo que su-pone una reducción del tráfico a través de lared y una descarga de trabajo al computadorcentral.

Cuando se produce un evento (toma demedidas o cualquier actividad programada),los nodos envían la información a través de lared, hasta llegar a un sistema central de con-trol que recoge los datos y los evalúa. Segúnlos resultados obtenidos en dicha evaluaciónse ejecutarán una serie de acciones. Tambiénes posible programar acciones simples de mo-do local a un nodo o grupo de nodos.

Elementos del sistema WSN

Los elementos que, de forma general,componen una WSN son:

Sensores . Toman información del medio yla convierten en señales eléctricas.Nodos de medida o nodos sensores. Ad-quieren los datos del sensor y los envíana la estación base. La mayoría de estosnodos también pueden funcionar comoenrutadores, permitiendo así la retrans-misión de datos de medida desde otrosnodos.

r Pasarelas o gateways. Dispositvos quepermiten la interconexión entre la red desensores y otro tipo de red diferente. Ge-neralmente utilizan TCP/IP.

ie Estación base o stargate. Se encarga deadquirir, procesar, analizar y presentar losdatos. Puede ser un ordenador o un sis-tema embebido.

• Red inalámbrica. Red de comunicaciónsin cables. Típicamente basada en el es-tándar 802.15.4-ZigBee (ZigBee, 2009).

Los nodos sensores contienen varioscomponentes: radio, batería, microcontrola-dor, circuito analógico e interfaz de sensor(figura 1). Para aumentar la duración de labatería, la radio y el procesador de un nodoWSN deben consumir poca energía y ser ca-paces de encenderse y apagarse de modoeficiente. Ello obliga a utilizar procesadoresde baja velocidad. Dependiendo del proce-sador utilizado, el consumo de potencia enmodo sleep puede variar desde 1 a 50 kiW,mientras que en modo de encendido el con-sumo puede ser desde 8 a 500 mW.

En el mercado podemos encontrar nodossensores con canales para adquirir señalesde sensores analógicos, termopares y concanales digitales E/S (NI, 2009).

Los nodos sensores que podemos en-contrar en el mercado no disponen de inter-faz para el protocolo SDI-12 (Serial Data In-terface-1200 baud) (SI-12, 2009). Dicho in-terfaz se está extendiendo a la mayoría desensores utilizados en Agronomía. Para darsolución a esta necesidad, en la Universidad

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FIGURA 1.

Ejemplo de constitución de un nodo sensor (WiseConn).

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Politécnica de Cartagena se han desarrolladonodos sensores que permiten conectar sen-sores con dicho protocolo (López et al.,2009).

Tipos de arquitecturas WSN

Según la distribución espacial de las co-municaciones entre los nodos de una WSN sepueden distinguir dos tipos principales de ar-quitecturas. (Meseguer, 2007).

Arquitectura centralizadaEn este tipo de arquitectura los nodos

sensores envían sus datos directamente a lapasarela más cercana, que dirige el tráfico deesta red en concreto. Esta arquitectura plan-tea dos grandes problemas: la posibilidad deque se produzca un cuello de botella en laspasarelas y mayor consumo de energía. Comoresultado, el tiempo de vida de la red será re-lativamente corto.

Arquitectura distribuidaLos nodos sensores se comunican entre

sus nodos vecinos y cooperaran entre ellos eje-cutando algoritmos distribuidos para obteneruna única respuesta global, que un nodo cono-cido como cluster head se encargará de co-municar a la estación base a través de las pa-sarelas pertinentes. Esta arquitectura evita losproblemas que planteaba la arquitectura cen-tralizada y, además, mantiene las característi-cas que se trataron anteriormente.

Comunicación inalámbrica

El enrutamiento consiste en determinar por

dónde y cómo se enviarán los datos dentro de lared inalámbrica. Para ello se utilizarán algoritmosque sean capaces de calcular las rutas de trans-misión de datos que minimicen el consumo deenergía. La elección del camino determina y con-diciona que topología de red se utilizará.

Topologías de redLa forma de realizar el enrutamiento da ori-

gen a distintos tipos de topologías (figura 2):Estrella. Es la topología más sencilla y uti-lizada, en la cual cada nodo mantiene unasola trayectoria de comunicación directacon el gateway y viceversa. La cantidad detráfico que deberá soportar el gateway esgrande, y aumentará a medida que se

agreguen más nodos sensores, lo que lahace poco recomendable para redes degran tamaño. Además, un fallo en el gate-way puede dejar inoperante a toda la red.También presenta como inconveniente querestringe la distancia total que la red pue-de alcanzar.Cluster, árbol o jerárquica. Para aumentar elárea que una red puede cubrir, se puede im-plementar una topología de cluster o árbol.En esta arquitectura, cada nodo mantieneuna sola trayectoria de comunicación direc-ta al gateway pero puede usar otros nodospara encaminar sus datos dentro de esa tra-yectoria. Esta topología tiene un problema: siel nodo enrutador falla, todos los nodos quedependen de éste también pierden sus tra-yectorias de comunicación con el gateway.En esta topología jerárquica cada nodo en lared posee un padre y éste a su vez un padre,hasta llegar al nodo central.Malla. Esta topología soluciona el proble-ma de la topología de árbol al usar trayec-torias de comunicación redundante paraaumentar la fiabilidad del sistema. En unared de malla, los nodos mantienen múlti-ples trayectorias de comunicación al gate-way, así, si el nodo enrutador falla, la redautomáticamente encamina los datos através de una trayectoria diferente. La to-pología de malla, aunque es muy confia-ble, sufre de incremento de latencia de redya que los datos deben hacer múltiplessaltos antes de llegar al gateway. Es la to-

pología más compleja y de mayor gastocomputacional, ya que cada nodo debe te-ner una tabla con las posibles rutas hacialos demás nodos. La sincronización paraun uso mínimo de energía es más compli-cada. Este tipo de redes está enfocado aaplicaciones en donde los nodos tienenque comunicarse con cualquier otro de lared y compartir datos.

Tipos de encaminamientoLas técnicas de encaminamiento (routing)

se clasifican según el flujo de datos, en las si-guientes categorías:e Diseminación. Los datos fluyen desde el

gateway hacia los nodos sensores.I Recolección. Desde los nodos sensores ha-

cia el gateway.Punto a punto. Desde un nodo a otro cual-quiera de la red.

Protocolo ZigBeeLos sistemas WSN están basados en pro-

tocolos ZigBee o IEEE 802.15.4 debido a subajo consumo de potencia, proporcionando,para la mayoría de aplicaciones, una duraciónde la batería de varios años. ZigBee es el es-tándar de la norma IEEE 802.15.4 que defineel protocolo y la interconexión de dispositivoscon comunicación vía radio para redes de áreapersonal inalámbricas.

ZigBee opera en las bandas libres de los 2.4GHz, 915 MHz y 868 MHz con una velocidad detransmisión de datos hasta 250 kb/s. El rango

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de transmisión puede superar los 100 metros,dependiendo de la potencia de transmisión y delentorno. Se emplea en aplicaciones con bajastasas de datos y bajo consumo de potencia.

Además de los requerimientos de larga du-ración, se debe considerar el tamaño, peso ydisponibilidad de las baterías. El bajo costo y laamplia disponibilidad de las baterías de zinc-carbono y alcalinas las hace una opción muycomún. Las técnicas para recolección de ener-gía también se están volviendo más frecuen-tes en redes de sensores inalámbricas. La uti-lización de dispositivos que emplean celdas so-lares o colectan calor del ambiente comoapoyo puede prolongar la autonomía de los no-dos y reducir el tamaño o número de bateríasnecesarias.

Aplicaciones WSN parala agronomía

Las WSN pueden utilizar distintos tipos desensores (temperatura, humedad, radiación so-lar, velocidad del viento, conductividad eléctri-

ca, presencia o ausencia de objetos, etc.), loscuales permiten monitorizar una gran cantidadde condiciones ambientales y procesos. Ade-más, los nodos sensores pueden adoptar di-versas formas de trabajo: pueden actuar enmodo continuo, por detección de eventos, poridentificación de eventos, toma de datos loca-lizados o como control local de actuadores,abriendo su abanico de aplicaciones para ofre-cer soluciones a las necesidades que se plan-tean en agronomía. En los siguientes epígrafesse muestran algunas aplicaciones de las WSNen agronomía.

Riego de cultivosLas redes de sensores inalámbricos se

utilizan en cultivos hortícolas para lograr unaoptimización del uso del agua.

Para introducir este tipo gestión utilizan-do WSN, (López Riquelme et al. 2009), sedispone de tres subredes (figura 3), cadauna de las cuales se encarga de medir dife-rentes parámetros, en diferentes medios. Laprimera subred está formada por cuatro no-

dos (motes-tierra). Cada uno de estos mo-tes contiene dos sensores Hydra Probe II,ubicados a diferentes profundidades (20 y40 cm). Con estos sensores se pueden medirdiversas características del suelo (tempera-tura, humedad, etc.).

La segunda de las subredes está forma-da única y exclusivamente por un mote, reci-biendo éste el nombre de mote-agua. Dichomote se sitúa en un pantano con el objetivode medir la conductividad eléctrica del aguay la temperatura, para así poder determinarla calidad del agua con que se abastece alpantano.

La tercera y última de las subredes secompone de cuatro nodos, llamados motestemperatura-humedad. Como su nombre in-dica, cada uno de los motes situados enpuntos estratégicos del terreno, tomarán me-didas periódicamente de la temperatura y dela humedad relativa del ambiente.

Las tres subredes descritas anteriormenteestán separadas entre sí y del ordenador cen-tral varios kilómetros siendo necesario asegu-

Estrella Cluster Tree Malla

Fiabilidad

II Latencia

Distancia

Complejidad

Gateway

Nodo encaminador (Rou ter ,Voile)Nodo Final

FIGURA 2.

Topologfas de Red WSN.

Rade modem18.7 ldn'i

N\ee e

e e _iiiiiiiie

101""r

2 Base Stason Mote

O Repeater Mote

G Gateway Mote

El Sed Motee Water Mote

Enwomental Mote

FIGURA 3.

Red WSN para la gestión del riego eh cultivos hortIcolas.

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rar la cobertura inalámbrica del desplieguecompleto. Para ello se han desarrollado motesgateway que incluyen módulos de larga dis-tancia actuando alguno de ellos como repeti-dor de mensajes procedentes de los cuatronodos que componen cada subred.

Los datos recolectados por los diferentesmotes sensores eran analizados en las oficinasy en función de éstos, se planificaban los hegos.

Gestión de la calidad de laproducción de uva para vino

Las redes de sensores inalámbricos seutilizan en viñedos para conseguir una ho-mogeneización de la producción de vino. Lossensores son distribuidos por las parcelaspara medir los principales parámetros am-bientales involucrados en la calidad de lauva: temperatura, humedad y radiación so-lar. Estos, junto con la velocidad del viento,también permiten determinar la evapotrans-piración del cultivo (Allen et al., 1998).

La temperatura juega un papel importan-te en la producción de vino, principalmenteen el mes previo a la maduración. Cuantomenor es la fluctuación de temperaturas alre-dedor de la media, mejores son las caracte-rísticas en cuanto a sabor, aroma y pigmen-tación para un determinado nivel de madura-ción. Sin embargo, la utilización detemperaturas por sí solas para discriminarcómo afectan los climas locales al desarrollode la vid puede conducir a conclusiones des-acertadas (Tonietto y Carbonneau, 2004).

La humedad relativa del aire influye en lacalidad de la uva, de manera que nivelesmuy altos o muy bajos afectan negativamen-te al desarrollo del fruto. Una humedad rela-tiva baja origina un cierre estomático incluso

Para introducir gestión de cultivos de vidutilizando WSN, Montero et al., 2007, lleva-ron a cabo, durante la campaña 2006, un di-seño experimental que consistió en estable-cer una red de sensores basada en 22 pun-tos de muestreo distribuidos en tres nivelesde altura: a 10 cm del suelo, sobre la cruzde la cepa (1 m) y por encima de la cubier-ta vegetal (1,60 m). Este experimento permi-tió mejorar la gestión del cultivo de la vid.

Otro factor importante a tener en cuentapara obtener una producción de uva que per-mita mantener la misma calidad del vino deun año a otro, es la gestión adecuada del rie-go y la fertilización. Para ello se pueden utilizarademás de sensores de humedad y salinidaddel suelo, dendrómetros y radiotermómetros,pero no existen publicaciones que indiquenque, de momento, se estén utilizando redesde sensores inalámbricos que midan estosparámetros en vid.

Otras aplicacionesUna de las aplicaciones más interesantes

de las redes de sensores inalámbricos es elcontrol de plagas y enfermedades. Por me-dio de sensores estratégicamente situadosse pueden monitorizar parámetros tales co-mo la temperatura o la humedad de las ho-jas, con el fin de detectar rápidamente situa-ciones adversas y desencadenar los trata-

aunque la humedad del suelo sea suficiente,un aumento en la concentración de potasioen las uvas y, como consecuencia, una dismi-nución de la acidez y, por tanto, de la cali-dad del mosto (Taylor, 2004).

En términos generales, a mayores nivelesde radiación solar, tanto en intensidad comoen duración, mayor rendimiento, acidez y/ocontenido en azúcares, y menor cantidad deárea foliar requerida para el cultivo. Sin embar-go, frecuentemente los altos niveles de radia-ción vienen acompañados de variabilidad tér-mica y niveles bajos de humedad relativa, porlo que es conveniente un manejo apropiado dela cubierta para evitar la exposición excesiva odeficiente a la radiación solar (Hidalgo, 2002).

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Una de las aplicaciones más interesantes de las redes de sensores

inalámbricos es el control de plagas y enfermedades, por medio de sensoresestratégicamente situados.

mientos apropiados. La gran ventaja del uso de esta tecnología esla detección a tiempo y la aplicación óptima de los pesticidas,únicamente en aquellas zonas donde resulta realmente necesario.

Un sistema WSN es ideal para aplicaciones de monitorizaciónambiental. Adicionalmente, pueden alertar sobre la llegada de he-ladas, así como ayudar en el trabajo de las cosechadoras.

También resultan de utilidad para el mantenimiento y cuida-do de espacios y parques naturales. Los sensores, de pequeñotamaño, pueden disimularse con en el entorno, procesando losdatos de diversos parámetros ecológicos y transmitiendo la infor-mación de forma inalámbrica hasta un centro de control, situadonormalmente en la caseta de los guardias forestales. De estemodo, se evita en la medida de lo posible la circulación de per-sonas y vehículos por el parque.

En la ganadería de cría, la red de sensores permite mantenerbajo control los parámetros en el interior de las granjas, comotemperatura, humedad, intensidad de luz y presencia de gases(especialmente amoniaco NH3).

La red de sensores inalámbricos también se emplea para fle-xibilizar la automatización en invernaderos.

Conclusiones y recomendaciones

Los sistemas de medida inalámbricos ofrecen menores costes ymayor flexibilidad que los sistemas cableados de medidas tradicionales.

La agronomía constituye una de las áreas donde se prevé quepueda implantarse con mayor rapidez las redes de sensores in-alámbricos, permitiendo una reducción en el consumo de agua ypesticidas, y contribuyendo a la preservación del entorno.

En este artículo se han presentado desarrollos de nuevos mo-tes para constituir redes de sensores inalámbricos para la gestióny programación de riego, consiguiendo un control del crecimientovegetativo de la planta y una cosecha de óptima calidad uniformeaño tras año. •

Bibliografía •FÁBRICA:Ctra. Córdoba - Palma del Río, s/n14730 Posadas - Córdoba - ESPAÑATel. (+34) 957 630 243Fax (+34) 957 631 477e-mail: moresil@moresil.comweb: www.moresil.com

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