Red de Sensores Inalámbricos de Bajo Consumo Energético en Agricultura Hidropónica

[ES] Debido a los cambios medioambientales, aumento demográfico o incluso la propia volatilidad de precios en los mercados, el sector agrícola necesita actualmente mejorar el manejo de los recursos agrarios. Las nuevas tecnologías son clave para mejorar la sostenibilidad en el sector agrícola y producir alimentos con calidad alimentaria contrastada. En los últimos años España está sufriendo etapas de escasez de agua y zonas semiáridas dedicadas a la horticultura sufren estos efectos, por lo que los agricultores se ven obligados a trasladar sus cultivos a zonas más húmedas que en muchas ocasiones, presentan condiciones climatológicas menos adecuadas. Gracias a la tecnología podemos monitorizar y crear entornos con condiciones ambientales idóneas mediante el uso de invernaderos, que nos permiten la producción de alimentos controlando todo tipo de parámetros ambientales, nutricionales y de la propia planta. En este artículo presentamos el desarrollo de una red de sensores móviles orientada a monitorizar los patrones de necesidades de las plantas y tomar decisiones inteligentes según la captación de datos ambientales obtenida. La red está compuesta por nodos sensores comunicados con tranceptores de radio distribuidos en una red mallada, que podría ser fácilmente dapatada a cualquier tipo de uso a petición del profesional. Esta red ha sido probada en un entorno de agricultura hidropónica. Finalmente el paper muestra los resultados obtenidos en cuanto a tráfico generado, lo que nos permitirá en un futuro, hacer la red escalable.Cambra, C.; Sendra, S.; Jimenez, J.; Lloret, J. (2018). Red de Sensores Inalámbricos de Bajo Consumo Energético en Agricultura Hidropónica. En XIII Jornadas de Ingeniería telemática (JITEL 2017). Libro de actas. Editorial Universitat Politècnica de València. 55-62. https://doi.org/10.4995/JITEL2017.2017.6631OCS556

Leaf-Movement-Based Growth Prediction Model Using Optical Flow Analysis and Machine Learning in Plant Factory

Productivity stabilization is a critical issue facing plant factories. As such, researchers have been investigating growth prediction with the overall goal of improving productivity. The projected area of a plant (PA) is usually used for growth prediction, by which the growth of a plant is estimated by observing the overall approximate movement of the plant. To overcome this problem, this study focused on the time-series movement of plant leaves, using optical flow (OF) analysis to acquire this information for a lettuce. OF analysis is an image processing method that extracts the difference between two consecutive frames caused by the movement of the subject. Experiments were carried out at a commercial large-scale plant factory. By using a microcomputer with a camera module placed above the lettuce seedlings, images of 338 seedlings were taken every 20 min over 9 days (from the 6th to the 15th day after sowing). Then, the features of the leaf movement were extracted from the image by calculating the normal-vector in the OF analysis, and these features were applied to machine learning to predict the fresh weight of the lettuce at harvest time (38 days after sowing). The growth prediction model using the features extracted from the OF analysis was found to perform well with a correlation ratio of 0.743. Furthermore, this study also considered a phenotyping system that was capable of automatically analyzing a plant image, which would allow this growth prediction model to be widely used in commercial plant factories

Strawberry Cultivation Techniques

Among the berries, strawberries are the most commercially produced and consumed and their production and consumption are increasing in the world due to their enthusiastic aroma, taste, and biochemical properties. Strawberry is belonging to the genus Fragaria, from the family Rosaceae. It is indicated that the homeland of the strawberry is South America (Chile). It is well-known that people living in Asia, Europe, and America commonly use the wild F. vesca. In other regions such as Japan, North China and Manchuria, Europe-Siberia, and America there are different ecogeographic zones where alternative species are clustered. Despite its origins in the Pacific Northwest region of North America, F. ananassa is now grown all over the world. Strawberry is one of the most widespread berry species grown in almost every country including high altitudes of tropical regions, and subtropical and temperate areas. In this chapter, we aimed to offer new perspectives on the future of strawberry cultivation techniques by analyzing recent academic studies on strawberry production

Smart System for Bicarbonate Control in Irrigation for Hydroponic Precision Farming

[EN] Improving the sustainability in agriculture is nowadays an important challenge. The automation of irrigation processes via low-cost sensors can to spread technological advances in a sector very influenced by economical costs. This article presents an auto-calibrated pH sensor able to detect and adjust the imbalances in the pH levels of the nutrient solution used in hydroponic agriculture. The sensor is composed by a pH probe and a set of micropumps that sequentially pour the different liquid solutions to maintain the sensor calibration and the water samples from the channels that contain the nutrient solution. To implement our architecture, we use an auto-calibrated pH sensor connected to a wireless node. Several nodes compose our wireless sensor networks (WSN) to control our greenhouse. The sensors periodically measure the pH level of each hydroponic support and send the information to a data base (DB) which stores and analyzes the data to warn farmers about the measures. The data can then be accessed through a user-friendly, web-based interface that can be accessed through the Internet by using desktop or mobile devices. This paper also shows the design and test bench for both the auto-calibrated pH sensor and the wireless network to check their correct operation.The research leading to these results has received funding from "la Caixa" Foundation and Triptolemos Foundation. This work has also been partially supported by European Union through the ERANETMED (Euromediterranean Cooperation through ERANET joint activities and beyond) project ERANETMED3-227 SMARTWATIRCambra-Baseca, C.; Sendra, S.; Lloret, J.; Lacuesta, R. (2018). Smart System for Bicarbonate Control in Irrigation for Hydroponic Precision Farming. Sensors. 18(5):1-16. https://doi.org/10.3390/s18051333S116185Salley, S. W., Sleezer, R. O., Bergstrom, R. M., Martin, P. H., & Kelly, E. F. (2016). A long-term analysis of the historical dry boundary for the Great Plains of North America: Implications of climatic variability and climatic change on temporal and spatial patterns in soil moisture. Geoderma, 274, 104-113. doi:10.1016/j.geoderma.2016.03.020Yang, H., Du, T., Qiu, R., Chen, J., Wang, F., Li, Y., … Kang, S. (2017). Improved water use efficiency and fruit quality of greenhouse crops under regulated deficit irrigation in northwest China. Agricultural Water Management, 179, 193-204. doi:10.1016/j.agwat.2016.05.029Ferentinos, K. P., Katsoulas, N., Tzounis, A., Bartzanas, T., & Kittas, C. (2017). Wireless sensor networks for greenhouse climate and plant condition assessment. Biosystems Engineering, 153, 70-81. doi:10.1016/j.biosystemseng.2016.11.005Ibayashi, H., Kaneda, Y., Imahara, J., Oishi, N., Kuroda, M., & Mineno, H. (2016). A Reliable Wireless Control System for Tomato Hydroponics. Sensors, 16(5), 644. doi:10.3390/s16050644Ntinas, G. K., Neumair, M., Tsadilas, C. D., & Meyer, J. (2017). Carbon footprint and cumulative energy demand of greenhouse and open-field tomato cultivation systems under Southern and Central European climatic conditions. Journal of Cleaner Production, 142, 3617-3626. doi:10.1016/j.jclepro.2016.10.106Europapress Newshttp://www.europapress.es/andalucia/almeria-00350/noticia-superficie-invernaderos-crece-105-ultimos-cuatro-anos-llegar-29596-hectareas-20150213102204.htmlTreftz, C., & Omaye, S. T. (2016). Hydroponics: potential for augmenting sustainable food production in non-arable regions. Nutrition & Food Science, 46(5), 672-684. doi:10.1108/nfs-10-2015-0118De Anda, J., & Shear, H. (2017). Potential of Vertical Hydroponic Agriculture in Mexico. Sustainability, 9(1), 140. doi:10.3390/su9010140Croft, M. M., Hallett, S. G., & Marshall, M. I. (2017). Hydroponic production of vegetable Amaranth (Amaranthus cruentus) for improving nutritional security and economic viability in Kenya. Renewable Agriculture and Food Systems, 32(6), 552-561. doi:10.1017/s1742170516000478Ferrarezi, R. S., & Testezlaf, R. (2014). Performance of wick irrigation system using self-compensating troughs with substrates for lettuce production. Journal of Plant Nutrition, 39(1), 147-161. doi:10.1080/01904167.2014.983127Understanding Irrigation Water Test Results and Their Implications on Nursery and Greenhouse Crophttps://uknowledge.uky.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1160&context=anr_reportsKim, H.-J., Kim, D.-W., Kim, W. K., Cho, W.-J., & Kang, C. I. (2017). PVC membrane-based portable ion analyzer for hydroponic and water monitoring. Computers and Electronics in Agriculture, 140, 374-385. doi:10.1016/j.compag.2017.06.015(2017). Remote Sensing for Irrigation of Horticultural Crops. Horticulturae, 3(2), 40. doi:10.3390/horticulturae3020040Suárez-Albela, M., Fraga-Lamas, P., Fernández-Caramés, T., Dapena, A., & González-López, M. (2016). Home Automation System Based on Intelligent Transducer Enablers. Sensors, 16(10), 1595. doi:10.3390/s16101595Zhang, Q., Yang, X., Zhou, Y., Wang, L., & Guo, X. (2007). A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 8(10), 1584-1587. doi:10.1631/jzus.2007.a1584Gill, S. S., Chana, I., & Buyya, R. (2017). IoT Based Agriculture as a Cloud and Big Data Service. Journal of Organizational and End User Computing, 29(4), 1-23. doi:10.4018/joeuc.2017100101Nordic Semiconductor, RF Specialist in Ultra-Low Power Wireless Communicationshttp://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHzRF/nRF24L01Pawlowski, A., Guzman, J., Rodríguez, F., Berenguel, M., Sánchez, J., & Dormido, S. (2009). Simulation of Greenhouse Climate Monitoring and Control with Wireless Sensor Network and Event-Based Control. Sensors, 9(1), 232-252. doi:10.3390/s90100232Li, X., Cheng, X., Yan, K., & Gong, P. (2010). A Monitoring System for Vegetable Greenhouses based on a Wireless Sensor Network. Sensors, 10(10), 8963-8980. doi:10.3390/s10100896

PLAtaforma TEcnológica Multimedia para la Agricultura de Precisión (PLATEM Precision Agriculture)

[ES] Hay muchos trabajos relacionados con la automatización de procesos en agricultura. Con la revolución del Internet de las Cosas (del Inglés, Internet of things o IoT) están apareciendo en el mercado multitud de dispositivos capaces de interconectar sensores. Más enfocado a la agricultura intensiva, aparecen muchas comercializadoras de productos IoT que, aunque sus desarrolladores aseguran que son capaces de automatizar las tareas en los cultivos, vemos que no es así. Muchos productos tecnológicos desarrollados para ser usados en la agricultura de precisión, como son los programadores de riego tele-gestionados funcionan de forma independiente con otras tecnologías de la agricultura. En estos momentos y con el avance tecnológico actual, se debe integrar una programación de riego acorde a las necesidades reales del cultivo en tierra y con unas mediciones de necesidades de cultivo tomadas vía satélite o mediante dron desde el aire adaptando las variables de forma automática en una única plataforma de gestión. Si el patrón de producción de mi explotación funciona bien, la PLAtaforma TEcnológica Multimedia (PLATEM) permitirá compartir la estrategia seguida para que socios cooperativistas o personas que estén registrados en la red social, puedan verla y ver los contenidos publicados en ella sobre sistemas de control agrícolas. Esta tesis se centra en la investigación, diseño y desarrollo de nuevas tecnologías para integrar todos los sistemas presentes en un sistema automáticos, considerando, desde la monitorización de parámetros, hasta el procesado y toma de decisiones para una administración eficiente, siendo plata una herramienta óptima para la comunidad profesional de agricultores y con una usabilidad cercana al agricultor. Primeramente, se presentan trabajos previos relacionados con la captura de datos procedentes de cultivo y funcionamiento de riego a través del procesado de vídeo realizado con drones de vuelo autónomo. Seguidamente, se presentan los dispositivos presentes en la red inalámbrica de sensores orientada a captura de datos de los sensores terrestres y actuadores en sistemas de riego telegestionados de ultra bajo consumo energético. Por esto, nuestro trabajo se centra en redes de comunicaciones de banda estrecha, muy adecuadas para el uso en el medio rural. Nuestro sistema permite mantener un dispositivo comunicado y capaz de maniobrar las válvulas de hasta una extensión de 16 hectáreas con una pila comercial de 9 voltios toda una campaña de riego, sin necesidad de placas solares. Por último, toda la información e interoperabilidad de los apartados anteriores necesitan una gestión integral en un único sistema amigable con el usuario. En este punto presentamos un servidor con un motor de reglas de negocio y machine learning con autoaprendizaje capaz de generar decisiones para los controladores de riego, datos sensoriales de parcela o ambientales. Esta información es capaz de publicarse entre grupos sociales de usuarios e intercambiar métodos de trabajo y consignas. Todos los desarrollos y propuestas han sido precedidos de estudios de consumos energéticos en todos los dispositivos incluidos en el sistema. Además, se ha realizado un estudio en campo de las redes inalámbricas de sensores desplegadas en el medio rural bajo condiciones altamente problemáticas para comprobar el correcto funcionamiento del sistema entero.[CA] Existeixen gran quantitat de treballs relacionats amb l'automatització de processos en agricultura. Amb la revolució la Internet de les coses (de l'anglès Internet of Things o IoT) estan apareixent al mercat multitud de dispositius capaços d'interconnectar sensors. Més enfocat a l'agricultura intensiva, s'estan comercialitzant productes IoT que, tot i que els seus desenvolupadors asseguren que són capaços d'automatitzar les tasques en els cultius, veiem que no és així. Molts productes tecnològics desenvolupats per a utilitzar-los a l'agricultura de precisió, com són els programadors de reg tele gestionats, funcionen de forma independent amb altres tecnologies usades en l'agricultura. En aquests moments i amb l'avanç tecnològic actual, existeix la possibilitat d'aplicar unes rutines de reg adequades amb les necessitats reals del cultiu en terra, combinat amb la mesura de les necessitats de cultiu preses via satèl·lit o mitjançant vehicles aeris no tripulats o dron des de l'aire, adaptant les variables de forma automàtica en una única plataforma de gestió. Si el patró de producció de la meva explotació funciona bé, la PLAtaforma TEcnològica Multimedia (PLATEM) permetrà compartir l'estratègia seguida per tal que socis cooperativistes o persones que estiguin registrats en la xarxa social, puguen vore-la i veure els continguts publicats en ella sobre sistemes de control agrícoles. Aquesta tesi es centra en la investigació, disseny i desenvolupament de noves tecnologies per a integrar tots els sistemes presents en un sistema automàtics, considerant, des de la monitorització de paràmetres, fins al processat i pressa de decisions per a una administració eficient, sent PLATEM una ferramenta òptima per a la comunitat professional d'agricultors i amb una usabilitat propera a l'agricultor. Primerament, es presenten treballs previs relacionats amb la captura de dades procedents de cultiu i funcionament de reg a través del processat de vídeo realitzat amb drons de vol autònom. Seguidament, es presenten els dispositius presents en la xarxa sense fils de sensors orientada a captura de dades terrestres i els actuadors utilitzats per al reg tele-gestionats d'ultra baix consum energètic. Per això, el nostre treball se centra en xarxes de comunicacions de banda estreta, molt adequades per a l'ús en el medi rural. El nostre sistema permet mantenir un dispositiu comunicat i capaç de controlar les vàlvules en terrenys extensió de 16 hectàrees amb una pila comercial de 9 volts durant tota una campanya de reg, sense necessitat de plaques solars. Finalment, tota la informació i interoperabilitat dels dispositius que integren la xarxa necessiten una gestió integral en un únic sistema amigable amb l'usuari. En aquest punt presentem un servidor amb un motor de regles de negoci que aplica machine learning amb autoaprenentatge capaç de generar decisions per als controladors de reg, tenint en compte les dades dels sensors de parcel·la i ambientals. Aquesta informació és capaç de publicar-se entre grups socials d'usuaris i intercanviar mètodes de treball i consignes. Tots els desenvolupaments i propostes han estat combinats amb estudis de consums energètics. A més, s'ha realitzat un estudi en camp de les xarxes sense fils de sensors desplegades en el medi rural sota condicions altament problemàtiques per a comprovar el correcte funcionament del sistema sencer.[EN] There are many works related to the automation of processes in agriculture. With the revolution of the Internet of Things (IoT), many devices capable of interconnecting sensors are appearing on the market. The focus is on intensive agriculture in a market where designers and marketers of IoT products present designs for the automation of crop production, claiming systematic achievements that ar not always compatible with agricultural reality. Many technological products, such as remote or WiFi management of irrigation programmers, focused on precision agriculture, are independent systems with no connection to other agricultural technologies. At this time and with the current technological advance, it must be integrated irrigation schedules in response to the real time needs of crop nutrition determining cultivation needs are transmitted via satellite or drone, in a platform will automatically integrate intelligent irrigation systems on the plot of land in relation to thermal analysis and crop vigor. If the production patterns of a farm are promising, PLAtaforma TEcnologica Multimedia (PLATEM) will allow disseminate a strategy followed to cooperative partners or people who are registered in the social network can see it and see the contents published in it on agricultural control systems. This thesis will attempt to solve the above-mentioned issues: the integration from start to finish of data capture and open data decisions for a community of professional farmers. Firtsly, we will review the literature on data harvesting of irrigation decisions for cultivation through computer-processed videos recorded by drones with autonomous flight mapping. Next, the devices present in a Wireless Sensor Network (WSN) are presented aimed at capturing terrestrial sensory data connected to tele-managed irrigation systems with ultra-low energy consumption. Hence, the focus of this work is firmly set on narrowband communication networks that are very suitable for use in rural areas. Our system maintains a communicated device capable of maneuvering valves within an area of 16 hectares with a commercial 9-volt battery throughout an irrigation campaign, with no need for solar panels. Finally, all the information and interoperability described in the previous sections will need integral management. At this point, we present a server with a business rules engine and machine learning with (self-learning) decision trees capable of generating decisions for irrigation controllers. The basic layer consists of the data processing of data mining models. The second layer consists of model training with historical data and the third layer applies to machine learning that generates the best results for guidance on recommendations. This information can be published and shared on social media between groups of users for the exchange of working methods and opinions regarding crops, cultivation strategies and demonstration plots. All of the proposed developments and proposals have been grounded in systematic energy consumption studies of all devices in the intelligent irrigation systems. In addition, a field study is conducted of the WSN deployed in rural areas under highly problematic conditions to determine the correct functioning of the entire system.Cambra Baseca, C. (2019). PLAtaforma TEcnológica Multimedia para la Agricultura de Precisión (PLATEM Precision Agriculture) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135820TESI

A Reliable Wireless Control System for Tomato Hydroponics

Agricultural systems using advanced information and communication (ICT) technology can produce high-quality crops in a stable environment while decreasing the need for manual labor. The system collects a wide variety of environmental data and provides the precise cultivation control needed to produce high value-added crops; however, there are the problems of packet transmission errors in wireless sensor networks or system failure due to having the equipment in a hot and humid environment. In this paper, we propose a reliable wireless control system for hydroponic tomato cultivation using the 400 MHz wireless band and the IEEE 802.15.6 standard. The 400 MHz band, which is lower than the 2.4 GHz band, has good obstacle diffraction, and zero-data-loss communication is realized using the guaranteed time-slot method supported by the IEEE 802.15.6 standard. In addition, this system has fault tolerance and a self-healing function to recover from faults such as packet transmission failures due to deterioration of the wireless communication quality. In our basic experiments, the 400 MHz band wireless communication was not affected by the plants’ growth, and the packet error rate was less than that of the 2.4 GHz band. In summary, we achieved a real-time hydroponic liquid supply control with no data loss by applying a 400 MHz band WSN to hydroponic tomato cultivation

XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017)

Las Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), organizadas por la Asociación de Telemática (ATEL), constituyen un foro propicio de reunión, debate y divulgación para los grupos que imparten docencia e investigan en temas relacionados con las redes y los servicios telemáticos. Con la organización de este evento se pretende fomentar, por un lado el intercambio de experiencias y resultados, además de la comunicación y cooperación entre los grupos de investigación que trabajan en temas relacionados con la telemática. En paralelo a las tradicionales sesiones que caracterizan los congresos científicos, se desea potenciar actividades más abiertas, que estimulen el intercambio de ideas entre los investigadores experimentados y los noveles, así como la creación de vínculos y puntos de encuentro entre los diferentes grupos o equipos de investigación. Para ello, además de invitar a personas relevantes en los campos correspondientes, se van a incluir sesiones de presentación y debate de las líneas y proyectos activos de los mencionados equiposLloret Mauri, J.; Casares Giner, V. (2018). XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/97612EDITORIA