CropSight: A scalable and open-source information management system for distributed plant phenotyping and IoT-based crop management

Background: High-quality plant phenotyping and climate data lay the foundation of phenotypic analysis and genotype-environment interaction, providing important evidence not only for plant scientists to understand the dynamics between crop performance, genotypes, and environmental factors, but also for agronomists and farmers to closely monitor crops in fluctuating agricultural conditions. With the rise of Internet of Things technologies (IoT) in recent years, many IoT-based remote sensing devices have been applied to plant phenotyping and crop monitoring, which are generating terabytes of biological datasets every day. However, it is still technically challenging to calibrate, annotate, and aggregate the big data effectively, especially when they were produced in multiple locations, at different scales. Findings: CropSight is a PHP and SQL based server platform, which provides automated data collation, storage, and information management through distributed IoT sensors and phenotyping workstations. It provides a two-component solution to monitor biological experiments through networked sensing devices, with interfaces specifically designed for distributed plant phenotyping and centralised data management. Data transfer and annotation are accomplished automatically though an HTTP accessible RESTful API installed on both device-side and server-side of the CropSight system, which synchronise daily representative crop growth images for visual-based crop assessment and hourly microclimate readings for GxE studies. CropSight also supports the comparison of historical and ongoing crop performance whilst different experiments are being conducted. Conclusions: As a scalable and open-source information management system, CropSight can be used to maintain and collate important crop performance and microclimate datasets captured by IoT sensors and distributed phenotyping installations. It provides near real-time environmental and crop growth monitoring in addition to historical and current experiment comparison through an integrated cloud-ready server system. Accessible both locally in the field through smart devices and remotely in an office using a personal computer, CropSight has been applied to field experiments of bread wheat prebreeding since 2016 and speed breeding since 2017. We believe that the CropSight system could have a significant impact on scalable plant phenotyping and IoT-style crop management to enable smart agricultural practices in the near future

Optimization of Parallel K-means for Java Paddy Mapping Using Time-series Satelite Imagery

Spatiotemporal analysis of MODIS Vegetation Index Imagery widely used for vegetation seasonal mapping both on forest and agricultural site. In order to provide a long-terms of vegetation characteristic maps, a wide time-series images analysis is needed which require high-performance computer and also consumes a lot of energy resources. Meanwhile, for agriculture monitoring purpose in Indonesia, that analysis has to be employed gradually and endlessly to provide the latest condition of paddy field vegetation information. This research is aimed to develop a method to produce the optimized solution in classifying vegetation of paddy fields that diverse both spatial and temporal characteristics. The time-series EVI data from MODIS have been filtered using wavelet transform to reduce noise that caused by cloud. Sequential K-means and Parallel K-means unsupervised classification method were used in both CPU and GPU to find the efficient and the robust result. The developed method has been tested and implemented using the sample case of paddy fields in Java Island. The best system which can accommodate of the extend-ability, affordability, redundancy, energy-saving, maintainability indicators are ARM-based processor (Raspberry Pi), with the highest speed up of 8 and the efficiency of 60%

Cálculo de Variáveis Climáticas para Irrigação de Culturas com Base no Método de Penman-Monteith

Abstract. To know the amount of water lost to the environment by calculating the reference evapotranspiration (ETo), in this paper the Penman-Monteith method was used. A system composed of software and hardware was developed in which, through meteorological data sensors, it was possible to perform calculations and inform the farmer of the main data related to irrigation. To verify the accuracy of the data obtained by the sensors and the value of ETo calculated from these data, it was compared with the ETo calculated by the sensors with that calculated using data from a weather station. This generated a difference of only 0.53 mm, so the system presented concise and relevant data for the subject in question.Keywords: Irrigation, Evapotranspiration, Meteorological Data, Temperature.Resumo. Para saber a quantidade de água perdida para o ambiente por meio do cálculo da evapotranspiração de referencia (ETo), neste trabalho foi utilizado o método de Penman-Monteith. Foi desenvolvido um sistema composto por software e hardware, nos quais por meio de sensores de dados meteorológicos foi possível realizar cálculos e informar ao produtor os principais dados relacionados a irrigação. Para verificar a acurácia dos dados obtidos pelos sensores e o valor de ETo calculada a partir desses dados, comparou-se com a ETo calculada pelos sensores com a calculada usando dados de uma estação meteorológica. Isso gerou uma diferença de apenas 0,53 mm, sendo assim o sistema apresentou dados concisos e relevantes para o tema em questão.Palavras-chave: Irrigação, Evapotranspiração, Dados Meteorológicos, Temperatura

Health and demographic surveillance in Sahelian mobile livestock production systems

Summary Mobile pastoralists in the Sahel, i.e. people who depend on a livestock production system and follow their herds as they move, remain almost completely excluded from health services. A plausible reason why they are underrepresented in national censuses and/or alternative sequential sample survey systems is that mobile people are hard to reach and stay in contact with. Due to the lack of monitoring and inadequate information systems, demographic and health related data of mobile pastoralists of sub-Saharan Africa are scarce. Accurate population statistics and cost-effective registration systems are the basis for evidence-based policies and effective new strategies to provide adapted, integrated, and sustainable social services for mobile pastoralist people in remote zones. Mobile livestock production systems need to be fostered to strengthen their role as conservators of semi-arid ecosystems and main producers of pastoral products that are contributing significantly to the gross domestic product and food provision of their countries. Currently, the range of demographic and health surveillance methods, tools and approaches is limited to settled households and hardly applicable in mobile populations. New evaluation and monitoring methods, approaches, and tools to survey mobile households are needed. Preventive measures (the joint human and animal vaccination program, in the Lake Chad area, provided by the Swiss Tropical Institute and the Centre de Support en Santé Internationale in Chad from 2000 to 2007) have been implemented on small scale and need to be evaluated and scaled up towards an equity effective health intervention. Therefore, estimates on population sizes and other demographic core indices like mortality and fertility in these highly mobile pastoralists’ settings have to be assessed, making demographic and health information surveillance indispensable. The study presented here, was carried out at the southern shores of Lake Chad in Chari-Baguirmi, Chad. In five random household survey rounds demographic and health related data was collected among the target population of the joint human and animal vaccination program, that comprised the main ethnic groups of Arab, Fulani, and Gorane mobile livestock keepers. An electronic biometric fingerprint application was used to register and identify pastoralist women. We present in this study a proof-of-concept of monitoring highly mobile livestock keepers with the help of biometric technology that is further linked to a geographical information system. The unique biometric identification number serves as mark to establish population estimates, dilution rates (in and out migration) and survival probabilities applying “Jolly-Seber multiple mark-recapture” (re-encountering) and “Bailey triple catch” methodology. Only 5% of the total registered women were re-encountered. Since frequencies of re-encountered people are fundamental for mark-recapture estimates, the conceptualized evaluation designs and survey approaches could not be demonstrated coherently due to the low numbers of randomly re-encountered individuals. Thus population size estimates of these highly mobile pastoralist communities that concentrate in the dry season in the study area are still lacking. Further simulation models based on random numbers helped to establish and analyze sample size numbers for the application of the multiple mark-recapture methodology and to improve future study designs. Mortality and fertility data are based on retrospectively reported survival histories of children by 1081 mothers or female care-givers for a specific period prior to the survey. Brass indirect method has been applied to calculate rates of 61 (CI 95% 43.1 and 99.7) and Kaplan-Meier survival analysis of 79 (CI 95% 68 and 91.9) children dying before reaching the age of 5 years per 1000 births. The total fertility rate (TFR) for the reference period from 2001 to 2006 for women indicated 7.3 children (CI 95% 6.2 and 8.9 children) per woman at the end of her theoretical reproductive life span. It would theoretically be possible to establish retrospective reconstructed cohorts for mortality estimates using information reported by re-encountered persons on individuals that died in between survey rounds. But the retrospective reconstruction of such cohorts is highly dependent on the number of reencountered persons and the reliability of their information. The conducted mobile demographic and health survey rounds that implemented a biometric information system linked to a geographical information system could facilitate the creation of the first health and demographic surveillance system (HDSS) in a mobile, pastoralist setting. Such a HDSS could provide an extended platform for the monitoring of mobile livestock production system parameters such as livestock population, productivity, and pasture and water resource management related indicators. Since health of mobile pastoralists is the result of complex interactions between health systems, the economy of livestock production systems, socio-cultural background, sustainable resource management, environmental health, and political powers, broader approaches such as a “one health” approach are needed to monitor both sustainable natural resource management and progress in sustainable development in mobile livestock production systems. Zusammenfassung Die mobilen Viehhalter des Sahels, d.h. Menschen die von Viehproduktionssystemen abhängig sind und mit ihren Herden wandern, sind fast komplett vom Zugang zu Gesundheitsdiensten ausgeschlossen, während sie signifikant zum Bruttoinlandsprodukt ihrer Aufenthaltsländer beitragen. Die Tatsache, dass es schwierig ist, diese mobilen Menschen zu erreichen und mit ihnen in Kontakt zu bleiben ist eine eingängige Erklärung dafür, dass sie in nationalen Volkserhebungen oder alternativen Erhebungssystemen untervertreten sind. Aufgrund des Fehlens von Überwachungs- und Informationssystemen sind demographische und gesundheitsrelevante Daten in Afrika südlich der Sahara rar. Genaue Bevölkerungsstatistiken und kosteneffiziente Registrierungssysteme sind jedoch die Voraussetzung dafür, faktenbezogene politische Entscheidungen treffen zu können. Dies gilt auch für effizientes Handeln hinsichtlich neuer Strategien zur Bereitstellung von angepassten, integrierten und nachhaltigen sozialen Dienstleistungen für mobile Viehhalter in abgelegenen, ländlichen Gebieten. Soziale Dienstleistungen sollen die mobilen Viehproduktionssysteme in ihrer Rolle als Konservatoren des semi-ariden Ökosystems und Hauptproduzenten von für die Wirtschaft und Nahrungsmittelversorgung des Landes wichtigen Haustierprodukten unterstützen. Zurzeit sind Methoden, Instrumente und Ansätze zur demographischen und gesundheitsbezogenen Überwachung auf Personen mit festem Wohnsitz beschränkt, und daher für wandernde Bevölkerungsteile kaum anwendbar. Um der problematischen Erfassung dieser mobilen Menschen gerecht zu werden, sind neue Evaluations- und Überwachungsmethoden, -ansätze und -instrumente notwendig. Medizinische Präventionsmassnahmen wie das vom Schweizerischen Tropeninstitut und dem “Centre de Support en Santé Internationale“ von 2000 bis 2007 durchgeführte Impfprogramm für Menschen und Haustiere in der Region des Tschadsees wurden im kleinen Massstab bereits umgesetzt. Diese müssen jetzt auch auf nationaler Ebene durchgeführt werden, und hinsichtlich ihrer Verteilungs- und Zugangsgerechtigkeit für alle evaluiert werden. Dazu müssen Populationsgrössen geschätzt und demographische Daten wie zum Beispiel Sterblichkeit erhoben werden. Dies macht die demographische und gesundheitsbezogene Überwachung dieser hochmobilen Viehhalter unabdingbar. Die Studie wurde in der südlich des Tschadsees gelegenen tschadischen Region Chari-Baguirmi durchgeführt. In fünf Erhebungsrunden wurden demographische und gesundheitsrelevante Daten bei zufällig ausgewählten Haushalten in der vom Impfprogramm betroffenen viehhaltenden Bevölkerung gesammelt. Alle Haushalte gehörten zu den massgebenden ethnischen Gruppen, bestehend aus „Arab“, „Fulani“ und „Gorane“. Mit Hilfe eines elektronischen biometrischen Fingerabdrucks wurden Frauen registriert und identifiziert. In dieser Studie erbringen wir den konzeptuellen Nachweis, dass biometrische Technologie in Verbindung mit geographischen Informationssystemen die Erfassung und Überwachung mobiler Viehhalter ermöglicht. Die eindeutige biometrische Identifikationsnummer dient gleichzeitig als Markierung. Diese wiederum wird benötigt, um mit Hilfe der „Jolly-Seber multiple mark-recapture“-Methode und der „Bailey triple catch“-Methode Bevölkerungszahlen, Durchmischungsraten hinsichtlich Ein- und Auswanderung und Überlebenswahrscheinlichkeiten zu schätzen. Nur 5% aller registrierten Frauen wurden zweimal in verschiedenen Erhebungsrunden angetroffen. Anhand dieser kleinen Anzahl von wieder angetroffenen Frauen konnten die geplanten Evaluationskonzepte und Überwachungsansätze nicht auf schlüssige Weise aufgezeigt werden, weil die Häufigkeiten von wieder angetroffenen Individuen für die Anwendung von “mark-recapture“-Methoden grundlegend sind. Somit fehlen weiterhin die geschätzten Populationszahlen der hochmobilen Viehhaltergemeinschaften, die sich während der Trockenzeit am Tschadsee sammeln. Die Entwicklung von Simulationsmodellen basierend auf Zufallsnummern ermöglichte es, den Stichprobenumfang der „multiple mark-recapture“-Methode zu analysieren, um zukünftige Studienprotokolle zu verbessern. Die Sterblichkeits- und Fruchtbarkeitsdaten basieren auf die von 1081 Müttern gemeldeten Geburten und Todesfälle ihrer Kinder, die sich auf einen zurückliegenden Zeitraum vor einer Erhebungsrunde beziehen. Unter Anwendung der indirekten Brass-Methode wurden Kindersterblichkeitsraten von 61 Kindern (95% Konfidenzintervall: 43.1 und 99.7) und unter Anwendung der Kaplan-Meier Überlebensanalyse 79 Kinder (95% Konfidenzintervall: 68 und 91.9) auf 1'000 Lebendgeburten, die vor ihrem 5. Altersjahr starben, ermittelt. Die Berechnungen für den Zeitraum 2001 bis 2006 ergaben eine Gesamtfruchtbarkeitsrate von 7.3 Kindern (95% Konfidenzintervall: 6.2 und 8.9) für eine Frau am Ende der reproduktiven Phase ihres Lebens. Die Entwicklung von im Nachhinein rekonstruierten Kohorten unter Verwendung von Daten, die von wieder angetroffenen Personen gemeldet wurden, und die Individuen betrifft, die zwischen den Erfassungsrunden gestorben sind, wäre theoretisch möglich. Die Rekonstruktion solcher Kohorten ist aber stark abhängig von der Anzahl der wieder angetroffenen Personen und der Verlässlichkeit ihrer gemeldeten Angaben. Die durchgeführten mobilen demographischen und gesundheitsbezogenen Erfassungsrunden unter Anwendung eines biometrischen Informationssystems mit gekoppeltem geographischem Informationssystem könnten den Aufbau eines ersten gesundheitsbezogenen und demographischen Überwachungssystems für mobile Viehhalter ermöglichen. Ein solches Überwachungssystem könnte als Plattform für eine erweiterte Überwachung von Parametern dienen, die das mobile Viehproduktionssystem wie beispielsweise Viehbestandszahlen, Produktivität und die Nutzung von Weide- und Wasserressourcen betreffen. Da sich die Gesundheit von mobilen Viehhaltern aus komplexen Interaktionen zwischen Gesundheitssystemen, der Wirtschaftlichkeit des Produktionssystems, dem soziokulturellen Hintergrund, nachhaltiger Ressourcennutzung, einer gesunden Umwelt und politischen Machtsystemen ergibt, sind umfassendere Ansätze wie der „one health“ -Ansatz nötig. Auf diese Weise könnten sowohl die nachhaltige Nutzung von natürlichen Ressourcen als auch Fortschritte in der nachhaltigen Entwicklung in mobilen Viehhaltesystemen überwacht werden. Résumé Les pasteurs nomades dans le Sahel, soient les personnes qui dépendent d'un système de production animale et suivent leurs troupeaux, restent presque totalement exclus des services de santé. Les personnes mobiles sont difficiles à atteindre. Il est difficile de maintenir le contact avec elles. C’est une des raisons pour laquelle les pasteurs nomades sont sous-représentés dans les recensements et/ou dans les systèmes alternatifs de l’enquête démographique. En raison de l'absence de systèmes de surveillance et d'information insuffisante, les données démographiques et de santé concernant les pasteurs mobiles d'Afrique sub-saharienne sont rares. Bien que des statistiques exactes sur la population et les systèmes d'enregistrement rentables sont le fondement des décisions politiques. Ces informations sont indispensables pour de nouvelles stratégies efficaces afin de fournir des services sociaux adaptés, intégrés et durables pour les personnes mobiles dans les zones pastorales rurales. Les systèmes de production animale mobiles ont besoin d'être consolidés pour renforcer leur rôle en tant que conservateurs des écosystèmes semi-arides et en tant que producteurs principaux de produits pastoraux, qui contribuent de manière significative au produit intérieur brut et à l'approvisionnement en nourriture de leur pays. Actuellement, les méthodes, les outils et les approches de surveillance démographique et de la santé sont limités aux ménages sédentaires et difficilement applicables dans les populations mobiles. De nouvelles méthodes, approches et outils d’évaluation et de surveillance pour l'enquête des ménages mobiles sont nécessaires. Des mesures de prévention (le programme de vaccination humaine et animale, dans la zone du lac Tchad, effectué de 2000 à 2007 par l'Institut tropical suisse et le Centre de support en Santé Internationale au Tchad) ont été mises en œuvre à petite échelle et doivent être évaluées et élargies vers une intervention de la santé effective et équitable. Par conséquent, des estimations sur la taille de la population et d'autres indices démographiques de base tels que la mortalité et la fécondité des pasteurs très mobiles doivent être évaluées. Pour d’obtenir cela, les informations de surveillance démographique et de santé sont indispensables. L'étude présentée ici a été réalisée sur la rive sud du lac Tchad en Chari-Baguirmi, Tchad. Dans cinq tours randomisés des données démographiques et sanitaires ont été recueillies dans les ménages de la population cible du programme de la vaccination conjoint de l'homme et de l'animal. Tous ces ménages appartiennent aux groupes ethniques principaux des éleveurs mobiles, c’est-à-dire les Arabes, les Peuls et les Goranes. Un système électronique d'empreintes digitales biométrique a été utilisé pour enregistrer et identifier les femmes pastorales. Nous présentons dans cette étude une preuve de concept de surveillance des éleveurs très mobiles, avec l'aide de la technologie biométrique, qui est également liée à un système d'information géographique. Le numéro unique d'identification biométrique sert de marque pour établir des estimations de population, les taux de dilution (dans et hors de la migration) et les probabilités de survie appliquant la méthodologie «Jolly-Seber multiple mark-recapture» (rencontre multiple) et "Bailey triple catch”. Seulement 5% des femmes enregistrées ont été retrouvées au total. Étant donné que les fréquences de rencontre des gens sont fondamentales pour des estimations basées sur le « mark-recapture », les modèles d'évaluation et les méthodes d'enquête conceptualisés n'ont pas pu être démontrés de façon cohérente en raison du faible nombre d'individus retrouvés au hasard. Ainsi les estimations de la taille des communautés d'éleveurs très mobiles qui se concentrent sur la zone d'étude dans la saison sèche manquent encore. D'autres modèles de simulation basés sur des nombres aléatoires contribuent à établir et à analyser le nombre d'échantillons nécessaires pour l'application de la méthodologie de «multiple mark-recapture» (rencontre multiple) et à améliorer la conception des études futures. Les données de la mortalité et de la fécondité sont basées sur les histoires de survie des enfants rapportés rétrospectivement par 1081 mères ou donneurs de soin pour une période déterminée précédant l'enquête. La méthode indirecte de Brass et l'analyse de survie de Kaplan-Meier ont été appliquées pour calculer un taux de mortalité de 61 (IC 95% 43.1 et 99.7) et de 79 (IC 95% 68 et 91.9) enfants sur 1000 qui meurent avant d'atteindre l'âge de 5 ans. Le taux total de fécondité (TTF) a indiqué 7,3 enfants (IC 95% 6,2 et 8,9 enfants) par femme par la fin de la vie reproductive pour la période de référence de 2001 à 2006. Il serait théoriquement possible de reconstruire des cohortes rétrospectives pour des estimations de la mortalité, en utilisant les informations sur les individus qui sont morts entre les deux phases de l'enquête rapportées par les personnes retrouvées. Mais la reconstruction rétrospective des cohortes dépend du nombre de personnes retrouvées et de la fiabilité de leurs informations. Les tours de l'enquête démographique et de santé menés ont mis en place un système d'informations biométriques. Joint à un système d'information géographique, cela pourrait faciliter la création du premier système de surveillance démographique et de la santé (SSDS) dans un environnement mobile. Un telle SSDS pourrait fournir une plateforme élargie pour la surveillance des paramètres du système de l'élevage mobile tels que la population du bétail, la productivité et des indicateurs de la gestion des ressources d’eau et des pâturages. Comme la santé des éleveurs mobiles est le résultat d'interactions complexes entre les systèmes de santé, la rentabilité des systèmes de production animale, des aspects socioculturels, la gestion durable des ressources naturelles, la santé environnementale et les pouvoirs politiques des approches de «santé unique» sont nécessaires. Un système de surveillance «santé unique» permettrait à la fois d’accompagner la gestion durable des ressources naturelles et le progrès dans le développement durable dans les systèmes d'élevage mobiles

Gender in Agriculture Sourcebook

The purpose of the Sourcebook is to act as a guide for practitioners and technical staff in addressing gender issues and integrating gender-responsive actions in the design and implementation of agricultural projects and programs. It speaks not with gender specialists on how to improve their skills but rather reaches out to technical experts to guide them in thinking through how to integrate gender dimensions into their operations. The Sourcebook aims to deliver practical advice, guidelines, principles, and descriptions and illustrations of approaches that have worked so far to achieve the goal of effective gender mainstreaming in the agricultural operations of development agencies. It captures and expands the main messages of the World Development Report 2008: Agriculture for Development and is considered an important tool to facilitate the operationalization and implementation of the report's key principles on gender equality and women's empowerment

International Land Acquisitions in the Global South: Patterns, Drivers, and Impacts

The main goal of this dissertation is to analyse the process and impacts of international land acquisitions taking place in the global South since 2012. Through data collection at different levels and with different methods, the present dissertation bridges the gap between case studies of individual projects and analysis of global data. The research results contribute to land system science by providing a better understanding of important contemporary telecoupling processes that link socio-ecological systems in the global North and the South. The core research first consisted in participation in a coordinated effort by a research consortium to develop a dataset on large scale land acquisitions (LSLAs), or “land deals”. Building on this data set, the analysis then aimed to assess the extent and dynamics of these acquisitions at the global level, as well as the actors and countries of origin behind them. To provide more insights into LSLA processes, the present research analysed business models of commercial farms in Kenya and the drivers that influence these business models. Finally, based on interdisciplinary work in Kenya, Mozambique, and Madagascar, the diverse different socio-economic, food security, and environmental impacts, and the reasons why these may differ between different countries were analysed. The results show that from 2008 to 2020 approximately 30 million hectares of agricultural land was acquired by investors legally registered in the West, the Gulf states, and a range of emerging economic powers, in particular China. The data highlight the persistent opaqueness of the origin of the true “beneficial owner” in many cases, as investor networks often use tax havens and offshore destinations to conceal the ultimate beneficiaries of the investments. In addition, the research points to a glaring lack of transparency regarding some of the most important information on LSLAs themselves, including contract terms, tax arrangements, social and environmental assessments, monitoring, exact locations, and implementation progress. The cluster analysis of business models further highlights the importance of the production and technical models in differentiating outcomes rather than the types of actors or financial structures involved per se. The main drivers influencing these business models include market demands as well as government policies that ensure relatively secure land rights and simultaneously limit the land that can be acquired. The importance of a cluster effect related to enabling access to human resources and access to inputs was equally evident when comparing the case of Kenya to Mozambique and Madagascar. The results on impacts point to limited overall benefits of LSLAs in terms of employment and income for local populations, yet considerable risks for local livelihoods and the environment, including threats to biodiversity, forest, and water resources. At the global level, we found that 87% of domestic and international agricultural land acquisitions are occurring in regions of medium-to-high terrestrial biodiversity. Additionally, 54% of deals recorded in the Land Matrix database were geared towards production of water-intensive crops, including cotton, oil palm, rubber, and sugarcane. Importantly, 34% of these deals take place in dryland zones, where the intensive production increases pressure on scarce water resources. Comparative analysis in Kenya, Mozambique, and Madagascar showed that the local context, government policies, and production models give rise to four distinctive impact patterns, ranging from widespread adverse impacts to moderate impacts

Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments

[ES] La introducción de soluciones tecnológicas en la agricultura permite reducir el uso de recursos y aumentar la producción de los cultivos. Además, la calidad del agua de regadío se puede monitorizar para asegurar la seguridad de los productos para el consumo humano. Sin embargo, la localización remota de la mayoría de los campos presenta un problema para proveer de cobertura inalámbrica a los nodos sensores y actuadores desplegados en los campos y los canales de agua para regadío. El trabajo presentado en esta tesis aborda el problema de habilitar la comunicación inalámbrica entre los dispositivos electrónicos desplegados para la monitorización de la calidad del agua y el campo a través de un protocolo de comunicación y arquitectura heterogéneos. La primera parte de esta tesis introduce los sistemas de agricultura de precisión (PA) y la importancia de la monitorización de la calidad del agua y el campo. Asimismo, las tecnologías que permiten la comunicación inalámbrica en sistemas PA y el uso de soluciones alternativas como el internet de las cosas bajo tierra (IoUT) y los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se introducen también. Después, se realiza un análisis en profundidad del estado del arte respecto a los sensores para la monitorización del agua, el campo y las condiciones meteorológicas, así como sobre las tecnologías inalámbricas más empleadas en PA. Además, las tendencias actuales y los desafíos de los sistemas de internet de las cosas (IoT) para regadío, incluyendo las soluciones alternativas introducidas anteriormente, han sido abordados en detalle. A continuación, se presenta la arquitectura propuesta para el sistema, la cual incluye las áreas de interés para las actividades monitorización que incluye las áreas de los canales y el campo. A su vez, la descripción y los algoritmos de operación de los nodos sensores contemplados para cada área son proporcionados. El siguiente capítulo detalla el protocolo de comunicación heterogéneo propuesto, incluyendo los mensajes y alertas del sistema. Adicionalmente, se presenta una nueva topología de árbol para redes híbridas LoRa/WiFi multisalto. Las funcionalidades específicas adicionales concebidas para la arquitectura propuesta están descritas en el siguiente capítulo. Éstas incluyen algoritmos de agregación de datos para la topología propuesta, un esquema de las amenazas de seguridad para los sistemas PA, algoritmos de ahorro de energía y tolerancia a fallos, comunicación bajo tierra para IoUT y el uso de drones para adquisición de datos. Después, los resultados de las simulaciones para las soluciones propuestas anteriormente son presentados. Finalmente, se tratan las pruebas realizadas en entornos reales para el protocolo heterogéneo presentado, las diferentes estrategias de despliegue de los nodos empleados, el consumo energético y la función de cuantificación de fruta. Estas pruebas demuestran la validez de la arquitectura y protocolo de comunicación heterogéneos que se han propuesto.[CA] La introducció de solucions tecnològiques en l'agricultura permet reduir l'ús de recursos i augmentar la producció dels cultius. A més, la qualitat de l'aigua de regadiu es pot monitoritzar per assegurar la qualitat dels productes per al consum humà. No obstant això, la localització remota de la majoria dels camps presenta un problema per a proveir de cobertura sense fils als nodes sensors i actuadors desplegats als camps i els canals d'aigua per a regadiu. El treball presentat en aquesta tesi tracta el problema d'habilitar la comunicació sense fils entre els dispositius electrònics desplegats per a la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp a través d'un protocol de comunicació i arquitectura heterogenis. La primera part d'aquesta tesi introdueix els sistemes d'agricultura de precisió (PA) i la importància de la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp. Així mateix, també s'introdueixen les tecnologies que permeten la comunicació sense fils en sistemes PA i l'ús de solucions alternatives com l'Internet de les coses sota terra (IoUT) i els vehicles aeris no tripulats (UAV). Després, es realitza una anàlisi en profunditat de l'estat de l'art respecte als sensors per a la monitorització de l'aigua, el camp i les condicions meteorològiques, així com sobre les tecnologies sense fils més emprades en PA. S'aborden les tendències actuals i els reptes dels sistemes d'internet de les coses (IoT) per a regadiu, incloent les solucions alternatives introduïdes anteriorment. A continuació, es presenta l'arquitectura proposada per al sistema, on s'inclouen les àrees d'interès per a les activitats monitorització en els canals i el camp. Finalment, es proporciona la descripció i els algoritmes d'operació dels nodes sensors contemplats per a cada àrea. El següent capítol detalla el protocol de comunicació heterogeni proposat, així como el disseny del missatges i alertes que el sistema proposa. A més, es presenta una nova topologia d'arbre per a xarxes híbrides Lora/WiFi multi-salt. Les funcionalitats específiques addicionals concebudes per l'arquitectura proposada estan descrites en el següent capítol. Aquestes inclouen algoritmes d'agregació de dades per a la topologia proposta, un esquema de les alertes de seguretat per als sistemes PA, algoritmes d'estalvi d'energia i tolerància a fallades, comunicació per a IoUT i l'ús de drons per a adquisició de dades. Després, es presenten els resultats de les simulacions per a les solucions proposades. Finalment, es duen a terme les proves en entorns reals per al protocol heterogeni dissenyat. A més s'expliquen les diferents estratègies de desplegament dels nodes empleats, el consum energètic, així com, la funció de quantificació de fruita. Els resultats d'aquetes proves demostren la validesa de l'arquitectura i protocol de comunicació heterogenis propost en aquesta tesi.[EN] The introduction of technological solutions in agriculture allows reducing the use of resources and increasing the production of the crops. Furthermore, the quality of the water for irrigation can be monitored to ensure the safety of the produce for human consumption. However, the remote location of most fields presents a problem for providing wireless coverage to the sensing nodes and actuators deployed on the fields and the irrigation water canals. The work presented in this thesis addresses the problem of enabling wireless communication among the electronic devices deployed for water quality and field monitoring through a heterogeneous communication protocol and architecture. The first part of the dissertation introduces Precision Agriculture (PA) systems and the importance of water quality and field monitoring. In addition, the technologies that enable wireless communication in PA systems and the use of alternative solutions such as Internet of Underground Things (IoUT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are introduced as well. Then, an in-depth analysis on the state of the art regarding the sensors for water, field and meteorology monitoring and the most utilized wireless technologies in PA is performed. Furthermore, the current trends and challenges for Internet of Things (IoT) irrigation systems, including the alternate solutions previously introduced, have been discussed in detail. Then, the architecture for the proposed system is presented, which includes the areas of interest for the monitoring activities comprised of the canal and field areas. Moreover, the description and operation algorithms of the sensor nodes contemplated for each area is provided. The next chapter details the proposed heterogeneous communication protocol including the messages and alerts of the system. Additionally, a new tree topology for hybrid LoRa/WiFi multi-hop networks is presented. The specific additional functionalities intended for the proposed architecture are described in the following chapter. It includes data aggregation algorithms for the proposed topology, an overview on the security threats of PA systems, energy-saving and fault-tolerance algorithms, underground communication for IoUT, and the use of drones for data acquisition. Then, the simulation results for the solutions previously proposed are presented. Finally, the tests performed in real environments for the presented heterogeneous protocol, the different deployment strategies for the utilized nodes, the energy consumption, and a functionality for fruit quantification are discussed. These tests demonstrate the validity of the proposed heterogeneous architecture and communication protocol.García García, L. (2021). Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17422