Contribución a las redes de sensores inalámbricas. Estudio e implementación de soluciones hardware para agricultura de precisión.

[SPA] En las regiones áridas y semiáridas, como el sureste español, la escasez de los recursos hídricos está causando importantes problemas de abastecimiento que afectan principalmente a la agricultura. Además, las predicciones sobre los efectos de cambio climático en estas regiones auguran un progresivo empeoramiento de la situación actual. Por tanto, uno de los objetivos prioritarios en el manejo y gestión de los recursos hídricos destinados al riego, debe ser el desarrollo e incorporación de nuevas tecnologías, así como de métodos que permitan conseguir una mayor eficiencia del uso del agua. Uno de los métodos más conocidos, y utilizados, para estimar, evaluar y entender las variaciones existentes en los cultivos es la agricultura de precisión. Este método se beneficia de numerosas tecnologías, entre las que se pueden citar los sistemas de posición global, las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de instrumentación. Estas tecnologías permiten realizar tareas de monitorización de los cultivos almacenando los datos adquiridos, junto con las coordenadas geográficas del punto en el que se realizó la medida. Las redes de sensores inalámbricas constituyen una tecnología emergente de adquisición de datos que recientemente está atrayendo gran interés gracias a sus posibilidades, siendo aplicadas en numerosos ámbitos científicos e industriales para la realización de estudios y control de procesos. El uso de comunicaciones inalámbricas permite que los dispositivos sensores que la forman sean emplazados, así como reubicados, fácilmente sobre el terreno. Esta tesis se plantea con el objetivo global de estudiar, diseñar e implementar una arquitectura hardware, basada en redes de sensores inalámbricas, que pueda servir de herramienta a los ingenieros agrónomos para monitorizar, y así estimar, evaluar y entender las variaciones existentes en los cultivos, con objeto de determinar con mayor exactitud las necesidades de fertilizantes y riego, las fases de desarrollo y maduración de los productos, así como los puntos óptimos de siembra y recolección, que son los principales objetivos del método de la agricultura de precisión. Teniendo en cuenta las premisas de la arquitectura propuesta, durante el desarrollo de esta Tesis se han diseñado y construido diferentes prototipos de dispositivos inalámbricos (motes), los cuales han sido progresivamente depurados y mejorados a lo largo del transcurso de este trabajo, para poder ser validados en despliegues de redes de sensores, ubicadas en plantaciones agrícolas con diferentes cultivos. El resultado de este proceso ha concluido con el diseño de un dispositivo inalámbrico multi-entorno (MEWiN), con objeto de disminuir el número de elementos necesarios para configurar una red determinada y poder realizar tareas de monitorización mediante un único dispositivo. Los resultados que se derivan del desarrollo de esta tesis pueden ser aprovechados en nuevos trabajos de investigación aplicada, no sólo en el ámbito de la agricultura de precisión, sino también en contextos más diversos, como la monitorización en entornos marinos, o la vigilancia preventiva de partículas nocivas en ambientes industriales. [ENG] Water and food are the main resources that meet the needs of human beings. Agriculture provides most of the food but it also consumes most of the Earth’s available fresh water. In arid and semiarid regions, as Southern Spain, the water supply is an important factor that considerably affects agriculture. Development of innovative irrigation systems that efficiently use water is a high priority. In these regions, farmers must irrigate their crops efficiently; therefore, they must find new solutions and methods that improve the irrigation programming systems, taking into account not only the state of the soil and the plants but also information relating to the climate. All these data must be properly interpreted to decide the most suitable actions to carry out. Precision Agriculture is a set of techniques that provide a suitable solution to these problems because it aims to optimize field-level management with regard to crop science by matching farming practices more closely to crop needs. Economic advantages are also obtained by boosting competitiveness through more efficient practices (e.g. better management of water usage and costs). On the other hand, Information and Communication Technologies (ICT’s) are used to acquire information about the crop needs. Precision Agriculture techniques use this information to achieve the proposed objectives, in particular, intensive monitoring of crops, data analysis, decision making and application of control actions. Sensor Networks is a technology to carry out the intensive monitoring of crops using both wired and wireless nets. Wired solutions have been used since the 90s, whereas Wireless Sensors Networks (WSNs) are more recent (from the year 2000). In Agriculture, WSN‟s are more suitable because costs are reduced and the final solution is more reliable, since wires can be damaged by farming machinery in the crop. The simple redeployment of the devices provides high network versatility, so it is also another advantage to consider. Furthermore, WSN’s are proving to be a promising technology, and many WSN solutions are being successfully designed in several areas. The interest aroused by WSN technology has prompted the appearance on the market of various hardware platforms (sensor nodes or motes) for the development of new applications (hospitals, unfriendly environments and mobile control applications, among others), and research works (e.g. energy-efficient optimization or target tracking). Worth noting among these platforms are MICAz, TelosB, IRIS, Imote2 and others. It should be noted that these motes, and others not mentioned here, are devices that normally include embedded low-cost sensors whose specifications (precision, resolution, drift, etc.) are not the same as those of the instruments that are normally required in Precision Agriculture applications. For instance, the TelosB that includes the temperature sensor Sensirion SHT11 has no protection level. Moreover the temperature accuracy of this sensor is very dependent on environmental conditions compared to the HMP41 Vaisala sensor, widely used in precision agriculture. Moreover, many of these motes have only been used in laboratory or research applications and are not robust enough for use in real agricultural environments. In fact, many theoretical references about WSN based applications in Precision Agriculture can be found in scientific literature, but very few real deployments had been carried out, due to the scarcity of resources and the high cost of technology in the agricultural sector. Therefore, cost reduction is necessary to guarantee the success of WSN based applications in Precision Agriculture. Another important aspect of the motes is their capacity for connection to external instruments. There is a large group of external outdoor sensors used in the field of Precision Agriculture. Consequently, if motes are to be used in real agricultural applications, they first of all need to incorporate the necessary electronic interface to connect with external quality instruments. This feature together with robustness, autonomy and the possibility of connecting different types of instruments must be prioritized, as Geographic Information Systems (GIS), have been frequently used in Precision Agriculture. However WSN’s are not yet popular. Therefore, the development of new low cost hardware devices (motes) is necessary because they can measure the state of the crops in real time and provide the essential support to Precision Agriculture. Furthermore, these devices must be reliable in both indoor and outdoor conditions. They must be designed using an open architecture to facilitate the connection between different sensors and actuators required by the farming application. The main objective of this Thesis is the study and implementation of a hardware architecture based on WSN’s and their application in Precision Agriculture, particularly in real-time crops monitoring. Specifically, using Precision Agriculture to get an optimal crops production involves carrying out the following stages: Monitoring crops by acquiring data from sensors, analyzing obtained data, making decisions, applying control actions.[ENG] Water and food are the main resources that meet the needs of human beings. Agriculture provides most of the food but it also consumes most of the Earth’s available fresh water. In arid and semiarid regions, as Southern Spain, the water supply is an important factor that considerably affects agriculture. Development of innovative irrigation systems that efficiently use water is a high priority. In these regions, farmers must irrigate their crops efficiently; therefore, they must find new solutions and methods that improve the irrigation programming systems, taking into account not only the state of the soil and the plants but also information relating to the climate. All these data must be properly interpreted to decide the most suitable actions to carry out. Precision Agriculture is a set of techniques that provide a suitable solution to these problems because it aims to optimize field-level management with regard to crop science by matching farming practices more closely to crop needs. Economic advantages are also obtained by boosting competitiveness through more efficient practices (e.g. better management of water usage and costs). On the other hand, Information and Communication Technologies (ICT’s) are used to acquire information about the crop needs. Precision Agriculture techniques use this information to achieve the proposed objectives, in particular, intensive monitoring of crops, data analysis, decision making and application of control actions. Sensor Networks is a technology to carry out the intensive monitoring of crops using both wired and wireless nets. Wired solutions have been used since the 90s, whereas Wireless Sensors Networks (WSNs) are more recent (from the year 2000). In Agriculture, WSN‟s are more suitable because costs are reduced and the final solution is more reliable, since wires can be damaged by farming machinery in the crop. The simple redeployment of the devices provides high network versatility, so it is also another advantage to consider. Furthermore, WSN’s are proving to be a promising technology, and many WSN solutions are being successfully designed in several areas. The interest aroused by WSN technology has prompted the appearance on the market of various hardware platforms (sensor nodes or motes) for the development of new applications (hospitals, unfriendly environments and mobile control applications, among others), and research works (e.g. energy-efficient optimization or target tracking). Worth noting among these platforms are MICAz, TelosB, IRIS, Imote2 and others. It should be noted that these motes, and others not mentioned here, are devices that normally include embedded low-cost sensors whose specifications (precision, resolution, drift, etc.) are not the same as those of the instruments that are normally required in Precision Agriculture applications. For instance, the TelosB that includes the temperature sensor Sensirion SHT11 has no protection level. Moreover the temperature accuracy of this sensor is very dependent on environmental conditions compared to the HMP41 Vaisala sensor, widely used in precision agriculture. Moreover, many of these motes have only been used in laboratory or research applications and are not robust enough for use in real agricultural environments. In fact, many theoretical references about WSN based applications in Precision Agriculture can be found in scientific literature, but very few real deployments had been carried out, due to the scarcity of resources and the high cost of technology in the agricultural sector. Therefore, cost reduction is necessary to guarantee the success of WSN based applications in Precision Agriculture. Another important aspect of the motes is their capacity for connection to external instruments. There is a large group of external outdoor sensors used in the field of Precision Agriculture. Consequently, if motes are to be used in real agricultural applications, they first of all need to incorporate the necessary electronic interface to connect with external quality instruments. This feature together with robustness, autonomy and the possibility of connecting different types of instruments must be prioritized, as Geographic Information Systems (GIS), have been frequently used in Precision Agriculture. However WSN’s are not yet popular. Therefore, the development of new low cost hardware devices (motes) is necessary because they can measure the state of the crops in real time and provide the essential support to Precision Agriculture. Furthermore, these devices must be reliable in both indoor and outdoor conditions. They must be designed using an open architecture to facilitate the connection between different sensors and actuators required by the farming application. The main objective of this Thesis is the study and implementation of a hardware architecture based on WSN’s and their application in Precision Agriculture, particularly in real-time crops monitoring. Specifically, using Precision Agriculture to get an optimal crops production involves carrying out the following stages: Monitoring crops by acquiring data from sensors, analyzing obtained data, making decisions, applying control actions.Universidad Politécnica de Cartagen

Red de sensores inalámbrica para agricultura de precisión

Las redes de sensores inalámbricas combinadas con otras tecnologías (sistemas de posicionamiento global, imágenes aéreas y de satélites, sistemas de información geográfica, etc.) pueden jugar un papel muy importante en estimar y evaluar el estado hídrico de los cultivos además de permitir entender los cambios que se producen en los mismos, cuestiones éstas que son objeto de estudio de la agricultura de precisión. El presente trabajo muestra la experiencia que se ha recogido en la implantación y despliegue de una red de sensores de carácter experimental que se ha llevado a cabo en una empresa hortícola de productos ecológicos en el Campo de Cartagena, y que distribuye sus productos en una gran parte de Europa. Se muestra la topología de la red desplegada, algunos de los diferentes nodos que se han construido, así como la aplicación software de monitorización desarrollada.Los autores quieren agradecer a los proyectos RIMSI (FIT-330100-2006-173) y ESNA (ITEA 2006) del Ministerio de Industría, así como a la Fundación Séneca de la Región de Murcia (ref ID-02998/PI/05) y a la CICYT MEDWSA (ref TIN1006-15175-C05-02) del Ministerio de Educación y Ciencia de España su apoyo para la realización de estos trabajos

Efeitos do solo e clima numa vinha de uva de mesa com cultura de cobertura. Gestão da rega utilizando redes de sensores

[ENG] TThe use of mulches in vineyards and orchards is a traditional agricultural practice used with the aim of saving moisture, reducing weed growth and improving organic matter content in the soil. In table grape vineyards trained to overhead system in Puglia region (Southeastern Italy), plastic sheets covering the canopy are often used to either advance ripening or delay harvest. In this environment, the living mulches could contribute to the modification of the microclimate around the canopy below the plastic sheets. This condition has an influence on the climatic demand and on both the vegetative and productive activities, mainly in stages with a high evapotranspiration. However, the presence of living mulches could increase the demand of available water and nutrient resources and this could cause a lower yield. The aim of this study was to acquire a suitable knowledge to manage irrigation and verify the influences of living mulches on the vine by using wireless sensor networks to measure the vapor pressure deficit, soil water potential and content.[POR] A utilização de coberturas do solo em vinhas e pomares é uma prática agrícola tradicional, utilizada com o objetivo de preservar a humidade do solo, reduzir o crescimento de infestantes e melhorar o teor de matéria orgânica no solo. Em vinhas de uva de mesa, conduzidas em sistema de pérgula na região de Puglia (sudeste da Itália), são frequentemente usadas coberturas de plástico para promover o avanço da maturação ou o atraso da colheita. Neste ambiente a utilização de enrelvamentos pode contribuir para a modificação do microclima do copado. Esta condição pode influenciar a demanda atmosférica, bem como a atividade vegetativa e reprodutiva da videira, principalmente em períodos de elevada evapotranspiração. No entanto, a presença do enrelvamento pode originar um aumento da demanda dos recursos disponíveis, nomeadamente água e nutrientes, o que poderá provocar uma quebra de produção. O objetivo deste estudo foi adquirir conhecimento para a gestão da rega e, simultaneamente, verificar a influência dos enrelvamentos na atividade da videira, usando para o efeito redes de sensores “sem fio” para medir o déficit de pressão de vapor, o potencial e o conteúdo de água no solo.The development of this work was supported by: The Spanish Ministry of Science and Innovation through the project RIDEFRUT (ref. AGL2013-49047-C2-1-R), the “Fundacion Seneca, Agencia de Ciencia y Tecnologia” of the Region of Murcia under the “Excelence Group Program”, and the Technical University of Cartagena under the PMPDI Program

Sistema de seguimiento y control de una maqueta de tren digital

Este trabajo muestra una de las líneas actuales seguidas en el Dpto. de Tecnología Electrónica de la Universidad Politécnica de Cartagena, a través de las cuales se apuesta por nuevas plataformas docentes a fin de fomentar el grado de participación de los alumnos en la realización de sus Proyectos Fin de Carrera. Los resultados aquí expuestos han sido llevados a cabo por un alumno de dicha Universidad, el cual ha desarrollado un sistema de seguimiento y control de una maqueta de tren digital mediante técnicas de visión por computador. De esta manera, se han conjugado los conocimientos teóricos con una puesta en práctica sobre una plataforma didáctica amena, consiguiendo un resultado plenamente funcional que actualmente se encuentra disponible en los laboratorios del Dpto para la realización de futuros trabajosEscuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicació

Implementación y desarrollo de una arquitectura inalámbrica para su uso en agricultura de precisión

En el presente artículo, se describe una arquitectura inalámbrica que permita la optimización del agua en cultivos agrícolas. La arquitectura propuesta está basada en diferentes nodos inalámbricos dotados de conectividad GPRS. Cada uno de los nodos inalámbricos es totalmente autónomo y hace uso de la energía solar y baterías recargables, lo que les confiere autonomía prácticamente ilimitada. A los nodos se conectan diferentes sensores comerciales para medir los diversos parámetros del cultivo. Los datos son enviados y procesados en un servidor, el cual, haciendo uso de sistemas de Bases de Datos almacena la información obtenida de los sensores, permitiendo una posterior consulta y análisis de los mismos de forma sencilla y versátil

Desarrollo de una aplicación de inteligencia ambiental como recurso docente

[SPA]En este trabajo se presenta a un proyecto de investigación en docencia universitaria que acerca el concepto emergente de Inteligencia Ambiental a los estudiantes de una asignatura de segundo ciclo de la titulación de Ingeniería Informática denominada Nuevas Tecnologías de la Información, impartida en la Universidad de Huelva. Para ello, lso estudiantes deben desarrollar un trabajo práctico que pueda utilizarse en otras asignaturas como heramienta docente. El proyecto consigue, por tanto, un doble objetivo: que los alumnos trabajen sobre un caso real que sirva además como herramienta docente para otras materias. Tanto en la Universidad de Heulva como en las universidades a las que pertenencen los miembros del equipo que solicitaron el proyecto, es decir, la Universidad Politécnica de Cartagena, la Universidad de Sevilla y la Universidad Politécnica de Madrid. [ENG] This work describes a research project focused on teaching innovation. In this project future Computer Science engineers (from the University of Huleva), address an interesting emergent issue: Ambient Intelligence, in the subject New Programming Trends. The students have to carry out a practice work that will be used by other students as a learning tool in other subjects. therefore, the project achieves two significant objectives: students face a real problem and the solution can be used in other matters, both at the University of Huelva and at the rest of universities which the project applicants belong to specifically at the Polytechninc University of Cartagena, at the University of Sevilla and at the Polytechninc University of Madrid.Campus Mare Nostrum, Universidad Politécnica de Cartagena, Universidad de Murcia, Región de Murci

Designing and developing of computer-based techniques for helping agronomical research and precision farming

[SPA] Este documento muestra una explicación detallada acerca de una nueva técnica, basada en machine learning, que permite a un ordenador detectar de forma automática la fase fenológica de un árbol de un cultivo de cítricos usando una cámara estándar. Esta técnica ayudará en la aplicación automática de técnicas de riego deficitario. [ENG] This document shows a detailed explanation about a new machine learning-based technique which allows a computer to detect automatically the phenological stage of a citrus crop tree from a picture taken using a standard camera. This will help autonomous systems to determine when deficit irrigation could be applied.Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Investigación e Innovación del Gobierno de España (PCIN-2017-091, WaterWorks2015 ERA-NET) y Manuel Forcen agradece la financiación del contrato predoctoral recibido de la Fundación Séneca (20767/FPI/18)

Sistema para monitorizar entornos marinos basado en redes sensores inalámbricas

En el presente trabajo se propone un prototipo de boya oceanográfica como elemento constitutivo básico de una red de sensores inalámbrica para la monitorización del medio marino. Se describe el nodo sensor o mote que permite leer los datos de varios sensores oceanográficos y transmitirlos inalámbricamente hasta un servidor de datos accesible a través de Internet. Además, es necesario embarcar la electrónica en una boya que se adapte a las condiciones del medio marino. El diseño de dicha estructura mecánica no es una tarea trivial. Este trabajo describe también el diseño mecánico de la boya propuesta. La aplicación de usuario desarrollada permite la visualización de los datos de una forma intuitiva mediante la representación gráfica de los mismos y utilizando Google Maps. Por último, se describen las diferentes pruebas realizadas en el laboratorio y en el mar en condiciones reales de funcionamiento.Centro Universitario de la Defensa. Escuela de Turismo de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas (EICM). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Navantia. Campus Mare Nostru

Arquitectura de una red de sensores inalámbrica para la monitorización de la laguna costera del Mar Menor

En el presente trabajo se propone una red de sensores inalámbrica cuyo objetivo es la monitorización de la laguna costera del Mar Menor situada al sureste de la Península Ibérica, en la Región de Murcia, frente a las aguas próximas adyacentes del Mar Mediterráneo. Una vez que dicha red de sensores sea desplegada en los próximos meses formará parte del Observatorio Oceanográfico Costero de la Región de Murcia (OOCMur). Este trabajo describe la red de sensores inalámbrica propuesta especificando las tecnologías involucradas en el funcionamiento de la misma, se detalla la instrumentación oceanográfica seleccionada de acuerdo a los requisitos del despliegue y finalmente se muestra en detalle el diseño de los nodos de la red.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquilin

Sistema y método para la orientación de una placa solar fotovoltaica instalada en una boya marina

Número de publicación: 2 426 013 Número de solicitud: 201331338La presente invención se refiere a un sistema y a un método de orientación hacia el sol de una placa solar instalada en una boya marina, donde dicho sistema comprende una estructura acoplable al mástil de dicha boya que comprende, asimismo, al menos una pala orientable configurada para rotar la boya respecto al eje determinado por su mástil; y un contenedor equipado con medios para hacer girar dicha pala orientable respecto a un eje; junto con un sistema electrónico de control de dicha pala orientable. La invención permite aprovechar eficazmente la energía proporcionada por el viento para estabilizar la boya, a través de la pala orientable, preferentemente para seguir de forma continua la posición solar.Universidad Politécnica de Cartagen