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CORRESPONDENCIA CIENTÍFICA OTRAS CORRESPONDENCIAS  
Aplicación de redes de sensores inalámbricos para la viticultura de precisión
Jorge del Valle Arias
Director gerente de GALTEL Proyectos y Desarrollos

La variabilidad del suelo es un concepto conocido en viticultura. Una misma parcela se comporta de maneras diferentes en sus distintas partes a pesar de estar tratada de forma homogénea, debido a la variabilidad espacial en factores como pH, drenaje, contenido de nutrientes, malas hierbas, insectos, topografía, etc. Esta variabilidad espacial provoca también una variabilidad en las características de la cosecha.

El concepto de viticultura de precisión se define como la aplicación localizada de insumos (fertilizantes, pesticidas, agua), según las necesidades concretas de cada zona dentro de una misma parcela. En otras palabras: aplicar la cantidad exacta en el lugar adecuado y en el momento preciso, mejorando la eficiencia del terreno, tratando el campo como un conjunto de pequeñas subparcelas (desde varias decenas de m2).

La aplicación de técnicas de viticultura de precisión tiene claros beneficios económicos y/o medioambientales:

  • No se desperdician los insumos agroquímicos, fitosanitarios o el agua, haciendo un uso eficiente de los mismos.
  • La aplicación no indiscriminada de productos químicos en los suelos hace que se reduzcan problemas de contaminación, reduciendo el impacto ambiental de las prácticas agrícolas.
  • Se aumenta la rentabilidad a través del incremento del rendimiento de la planta y la reducción de costes.
  • Proporciona un seguimiento estadístico de cada lote de terreno.


Fig. 1. Estación meteorológica

Hasta ahora las prácticas de viticultura de precisión se han basado en el uso de sistemas de posicionamiento GPS junto con medidas cuantitativas y cualitativas de la cosecha, que permitían trazar mapas de rendimiento. La toma de datos ambientales (temperatura, humedad, radiación solar, etc.) se ha realizado en los últimos años utilizando estaciones meteorológicas (fig. 1), transmitiendo los datos recogidos por medio de radio-módems o por GPRS. Estos equipos no están diseñados específicamente para este uso, y tienen un coste muy elevado, por lo que las instalaciones actuales no pasan de proyectos piloto, con un número reducido de estaciones, no aportando datos fiables sobre la variabilidad del terreno (para esto haría falta un equipo cada 20-30 metros).

Influencia de las variables ambientales en el cultivo de la vid

Para cuantificar la importancia del control de las variables ambientales en la producción de uva, se analiza brevemente cómo influyen estas variables en el desarrollo del cultivo.

Temperatura

El régimen de temperaturas anuales determina, junto con otros factores, la cosecha de uva, sobre todo de su calidad. La temperatura es el factor más importante en la última fase de maduración de la uva. En general, temperaturas altas provocan una mayor concentración de azúcares y disminución de la acidez. Para la acumulación de aromas varietales lo conveniente son temperaturas bajas y una maduración lenta y prolongada.

Luz

La iluminación influye en la biosíntesis de los compuestos acumulados en la uva, ya que la mayor parte de ellos proceden de la fotosíntesis. La cantidad de iluminación que necesita un viñedo está en función directa de su superficie foliar equilibrada con su producción. Este factor no sólo comprende el número de horas de sol en el período vegetativo, sino también otros factores como la disposición del viñedo, orientación del terreno y los sistemas de conducción y poda utilizados.

Humedad

La humedad es indispensable para la vida de la cepa, por una parte disolviendo los compuestos minerales que contiene el suelo, que son absorbidos por las raíces, y por otra permitiendo un correcto desarrollo de los mecanismos fisiológicos de la vid durante el período vegetativo. Durante ciertos momentos del último período de maduración es conveniente, para lograr vendimias de calidad, que la vid sufra cierta sequía o «estrés hídrico», obteniéndose de esta forma uvas con una mayor concentración de aromas, antocianos y taninos. Por el contrario, el exceso de humedad retrasa la maduración y forma en los racimos una menor cantidad de azúcares, una mayor acidez y una menor cantidad de polifenoles, favoreciendo la aparición de enfermedades.
Es claro que, si somos capaces de conocer qué está pasando en cada subparcela, y podemos variar las condiciones, se puede influir en la calidad y/o cantidad de la producción.

Las redes de sensores inalámbricos

Una red de sensores inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Network) es un conjunto de dispositivos autónomos distribuidos por un área, que permite monitorizar y medir parámetros. Los dispositivos forman una red mesh o mallada, cuya característica diferenciadora es que la comunicación de datos entre dos puntos cualesquiera de la red se puede hacer a través de equipos intermedios que actúan como repetidores. Esto hace posible que las potencias de transmisión de los dispositivos sean muy bajas, reduciendo el consumo energético y teniendo una autonomía de hasta varios años alimentándose con una simple pila. Además la red es autoconfigurable, de manera que si uno de los dispositivos queda fuera de servicio, los demás se reconfiguran para enrutar los datos que pasaban a través del dispositivo caído.

Una red de sensores inalámbricos se basa en el estándar IEEE 802.15.4, sobre el que se define la especificación ZigBee. 802.15.4 y ZigBee son protocolos basados en estándares que proporcionan la infraestructura de red para aplicaciones de redes de sensores inalámbricos. Para este tipo de redes, las necesidades claves de diseño se centran en:

  • Gran autonomía de funcionamiento a partir de baterías.
  • Bajo coste.
  • Tamaño o factor de forma pequeño.
  • Soporte de redes de comunicación con entramados complejos.
  • Gran número de dispositivos en una misma red.

Las características generales de la especificación ZigBee son las siguientes:

  • Desarrollado en una capa física doble: 2.4GHz y 868/915 MHz.
  • Velocidades de transmisión de datos de 250 kbps (@2.4 GHz), 40 kbps (@ 915 MHz), y 20 kbps (@868 MHz).
  • Optimizado para aplicaciones con períodos de actividad bajos o muy bajos.
  • Acceso a canal mediante CSMA-CA (acceso múltiple por detección de portadora: evita colisiones).
  • Bajo consumo (autonomía de varios años a partir de baterías).
  • Múltiples topologías: estrella, punto – punto, mesh.

Tipos de nodos

En el estándar IEEE 802.15.4, los dispositivos de la red se pueden clasificar en dos categorías:

Nodos de funcionalidad total (Full-Function Device o FFD).
Nodos de funcionalidad reducida (Reduced-Function Device o RFD).

Con respecto a la función de cada dispositivo en la red, se distinguen tres tipos:

Coordinador: El coordinador es un nodo FFD, y sólo existe uno en cada red. Es el nodo que se encarga de constituir la red y gestionar las comunicaciones entre todos los elementos.

Router: Es un dispositivo FFD, que permite que otros nodos se conecten a la red, y que se puede conectar también a otros enrutadores o routers. Su función es encaminar los mensajes desde los nodos finales de la red hasta el coordinador.

Nodo final: Es un elemento RFD, que no permite que otros nodos se asocien a él, y no participa en el enrutamiento de mensajes. Sólo se puede comunicar con dispositivos FFD.

Lo que diferencia a las redes IEEE 802.15.4 / ZigBee de otras tecnologías inalámbricas es la capacidad de permitir una jerarquía de asociaciones entre los elementos de la red, en lugar de simples asociaciones maestro–esclavo. Esto permite extender la red en superficie tanto como sea posible, utilizando uno u otro tipo de nodo en cada punto. Así, por ejemplo, un dispositivo conectado al coordinador de la red puede actuar, a su vez, como enrutador, y permitir que otros dispositivos se conecten a él, resultando múltiples niveles de asociación (fig. 2).

Fig. 2. Topología de la red de sensores inalámbricos

Aplicación a la viticultura de precisión

Las redes de sensores inalámbricos son una tecnología en expansión, y sin duda en los próximos años asistiremos a la explosión de su uso. Hoy día estas redes constituyen una alternativa a las tecnologías aplicadas actualmente en viticultura para medir parámetros ambientales, permitiendo instalar nodos sensores con una rejilla de medida de 20-30 metros a un coste reducido, gracias a la capacidad de asociación jerárquica entre nodos y el enrutamiento de datos dinámico.

Para el usuario final, el productor, la aplicación de estas redes presenta las siguientes ventajas:

  • Reducción de la inversión inicial (CAPEX) y de los costes de instalación (es una red sin cables) y de operación (OPEX).
  • Control preciso de qué ocurre en cada subparcela con la rejilla de medida necesaria, lo que permite caracterizar la variabilidad del terreno.
  • Movilidad de los sensores. Puesto que la red es autoconfigurable, los dispositivos y los sensores se pueden mover, y esperar a que la red se reconfigure (este proceso puede tardar hasta 30 segundos).
  • Escalabilidad. La red se puede extender tanto como sea necesario (en superficie y en número de sensores), con cambios mínimos en la configuración.
  • Reducción de costes de mantenimiento, ya que los dispositivos tienen autonomía de hasta varios años. Al no haber cables, el mantenimiento se reduce considerablemente.
  • Ubicuidad. El sistema se puede complementar con una aplicación de monitorización y control accesible a través de internet o desde una PDA, en la que se configura la red (posición y tipo de sensores conectados a cada dispositivo) y los umbrales de alarmas. Cuando se alcanzan las condiciones configuradas por el usuario, el sistema le avisa mediante un e-mail o un SMS.

Conclusión

Las redes de sensores inalámbricos presentan un gran potencial para monitorizar el estado de las vides con la precisión necesaria para diferenciar las distintas subparcelas que aparecen en cualquier terreno debidas a la variabilidad espacial del terreno. Esto permitirá a los productores optimizar la aplicación de los insumos (agua, fertilizantes), aplicando en cada zona sólo aquello que es necesario (en tiempo, lugar y cantidad), actuando de esta forma sobre factores (humedad, temperatura) que determinarán la calidad final de la producción. El coste reducido de los sensores inalámbricos sería fácilmente amortizado incluso en una sola campaña.

Bibliografía

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[23.12.09]