Dos tendencias poderosas, el Internet de las cosas (IoT) y el análisis de datos, están generando mucha prensa para sus aplicaciones industriales y de infraestructura. Pero hay otro espacio de aplicación que está ganando impulso silenciosamente en la aplicación de estas tecnologías: la producción de alimentos. Los agricultores están mejorando los rendimientos, reduciendo las pérdidas y reduciendo los costos al hacer un uso más específico de recursos como fertilizantes y agua. El punto de partida de esta “agricultura de precisión” son los datos, cuyos sensores y redes inalámbricas desempeñan un papel clave en la recopilación.
Básicamente, hay tres tipos de plataformas involucradas en la agricultura de precisión: sistemas aéreos, móviles terrestres y estacionarios. Los sensores y las tecnologías de red que se utilizan suelen variar según el tipo de plataforma, aunque también existe cierta superposición. Sin embargo, una cosa que comparten las plataformas es la tremenda diversidad en los conjuntos de características de los muchos productos de la competencia que abordan este espacio de aplicaciones.
Los sensores de imagen en color típicos también incluyen la sensibilidad NIR que las cámaras de uso general buscan filtrar. (Imagen: ON Semiconductor)
Las plataformas aéreas buscan recopilar datos sobre cultivos y campos desde arriba mediante sensores remotos. Los sensores pueden estar ubicados en aeronaves pilotadas o satélites, pero cada vez más son transportados por vehículos aéreos no tripulados (UAV), drones, de diseño de ala fija o multicóptero. Equipados con un sensor de posicionamiento de precisión, como el módulo GNSS de precisión u-blox F9, los drones son particularmente adecuados para topografía de campos pequeños a medianos para el monitoreo de la salud de las plantas, con aviones y satélites que brindan estudios de áreas más grandes.
El sensor principal en el monitoreo de la salud de las plantas es una cámara multiespectral que puede tomar imágenes de alta resolución en luz visible e infrarroja cercana (NIR). La mayoría de los sensores de imagen CMOS pueden proporcionar tales imágenes, aunque la mayoría de las cámaras comerciales no pueden. La clave de esta aparente contradicción radica en el filtrado.
El siguiente gráfico muestra la eficiencia cuántica (es decir, la sensibilidad) de un sensor de imagen CMOS típico, en este caso de ON Semiconductor, en función de la longitud de onda. El sensor incluye filtros rojos, verdes y azules integrados en la disposición típica de Bayer, pero incluso con el filtrado azul, sigue habiendo una sensibilidad considerable en las longitudes de onda IR. Por lo tanto, la mayoría de las cámaras de uso general añaden un filtro de bloqueo de infrarrojos delante del sensor para reproducir la coloración de la luz visible con mayor precisión.
Detección de infrarrojos
Sin embargo, para el monitoreo de la salud de las plantas, esta sensibilidad IR es una bendición. Las hojas de las plantas sanas reflejarán más IR y absorberán más luz roja que las de las plantas estresadas. Esto ha llevado a los científicos de plantas a definir el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) – (NIR – Rojo) / (NIR + Rojo) – como una medida de la salud de las plantas. Con el filtrado correcto y algún procesamiento de imagen básico, un sensor de imagen CMOS se puede convertir en un sensor NDVI como el Sentera AGX710. Las plataformas aéreas brindan la perspectiva necesaria para estudiar la salud de las plantas de campos completos con un solo sistema.
Bloques de construcción para plataformas agrícolas móviles
En su mayor parte, las necesidades de comunicación en red de las plataformas aéreas son mínimas. Algunos sistemas ofrecen enlaces Wi-Fi a teléfonos inteligentes para ofrecer resultados de encuestas en tiempo real. Sin embargo, la mayoría simplemente almacena los datos de la imagen en tarjetas flash extraíbles para su posterior procesamiento. Este uso de almacenamiento flash en lugar de conexión de red también es común en plataformas móviles de agricultura de precisión terrestres, como accesorios de tractor y vehículos robóticos. Los datos que recopilan sus sensores pueden mostrarse en tiempo real para el conductor, pero al igual que las plataformas aéreas, los datos rara vez se envían en vivo a una red. Sin embargo, los tipos de sensores involucrados son completamente diferentes.
Los drones multirrotor son una plataforma aérea cada vez más popular para la agricultura de precisión en campos pequeños y medianos. (Imagen: u-blox)
La mayoría de las veces, estas plataformas móviles llevan sensores electroquímicos que monitorean las condiciones de crecimiento, incluidos factores como el pH, la conductividad eléctrica del suelo (que se correlaciona con la productividad del cultivo), el contenido de humedad y el contenido de nitrógeno, a múltiples profundidades. El sensor de rayos gamma SoilOptix detecta variaciones en la radiación de fondo natural para medir la composición y estructura del suelo. Los sensores ópticos ayudan a medir el contenido orgánico del suelo, incluidos los residuos de cultivos. Estos sistemas móviles, disponibles en empresas como Veris Technologies, proporcionan un mapeo de suelos con una resolución de grano mucho más fina que las técnicas de muestreo de núcleos manuales más tradicionales. El mapeo, a su vez, ayuda a los agricultores a aplicar con mayor precisión fertilizantes del tipo y la cantidad que el suelo necesita en un lugar determinado.
Sin embargo, el tipo de precisión cartográfica a nivel centimétrico que ofrecen estas plataformas móviles requiere más que sensores de navegación por satélite. La navegación por satélite suele tener una precisión de solo 1 metro. Para refinar aún más el posicionamiento, es posible que se requiera algún tipo de unidad de medición inercial (IMU), como las disponibles en Analog Devices. El mismo tipo de precisión que informa el esfuerzo de mapeo se puede utilizar para guiar la aplicación de semillas, fertilizantes y pesticidas, así como para orientar la maquinaria de cosecha para evitar la superposición durante la cosecha.
Las encuestas del NDVI brindan información detallada sobre la salud de las plantas en campos completos, señalando dónde los recursos como el agua y los fertilizantes necesitan más o menos aplicación. (Imagen: Sentera)
Las plataformas de agricultura de precisión que normalmente no requieren sensores de posición incorporados son los sistemas estacionarios basados en tierra, aunque aún es importante registrar su posición cuando se colocan por primera vez. Además, a diferencia de otros tipos de plataformas, los sistemas estacionarios dependen en gran medida de las capacidades de comunicación de la red. Se están utilizando una variedad de opciones de comunicación en la agricultura, y la elección a menudo depende de la situación, incluida la red celular, de malla, LPWAN (LoRa, SigFox, 6LoWPAN y similares) y configuraciones directas de dispositivo a puerta de enlace. Algunas empresas, como NFC Group, ofrecen tecnologías de comunicaciones patentadas. Otros ofrecen plataformas de sensores estacionarios con cualquiera de estas opciones de comunicación disponibles como opciones especificadas por el cliente.
Sistemas agrícolas estacionarios
Estos sistemas estacionarios también ofrecen una gama más amplia de tipos de sensores que las otras plataformas. La monitorización localizada del clima y el medio ambiente (temperatura, lluvia, insolación, viento y similares) está disponible en empresas como Davis Instruments. Empresas como Arable ofrecen sensores de salud vegetal junto con monitores ambientales para comparar el crecimiento real de las plantas con las expectativas. Los sistemas como los de DTN atrapan y cuentan tipos específicos de plagas mediante el uso de atracción basada en feromonas para identificar posibles infestaciones. La humedad del suelo (medida mediante capacitancia u otras propiedades electromagnéticas del suelo), las tasas de evapotranspiración, la humedad de las hojas (debido a la lluvia o condensación), la altura de la planta e incluso el grosor de los tallos y troncos o el tamaño de los frutos en crecimiento (dendometría) son todas las posibles opciones de sensores para la agricultura.
Los sistemas estacionarios son donde se ha estado produciendo gran parte del desarrollo de productos de sensores para la agricultura de precisión, en parte porque ofrecen el mayor potencial de volumen de ventas. Un solo sistema de detección aérea o móvil puede dar servicio a todos los campos de un agricultor, pero la recopilación de datos de suficiente granularidad para obtener el máximo beneficio requerirá la implementación de numerosos sistemas de sensores estacionarios. Debido a esta oportunidad, muchas pequeñas y medianas empresas como Vinduino han surgido con ofertas dedicadas al mercado de la agricultura de precisión. Las características clave de dichos sistemas son la energía solar, el bajo costo y la integración con redes de área amplia y servicios en la nube para manejar los datos.
Las IMU complementan la navegación por satélite para proporcionar datos de posicionamiento de precisión para todo, desde la recopilación de datos de campo hasta las rutas de recolección optimizadas. (Imagen: dispositivos analógicos)
Las principales empresas también están tomando nota de la oportunidad. Analog Devices, por ejemplo, ha comenzado a trabajar con clientes para integrar sus tecnologías de sensores e IoT en aplicaciones agrícolas. Empresas de comunicaciones como Libelium y Semtech ofrecen plataformas de sensores que pueden aceptar una amplia variedad de tipos de sensores agrícolas y enviar sus datos a servicios de análisis basados en la nube a través de sus redes.
Aunque la agricultura de precisión se ha explorado durante más de una década, sin embargo, el apoyo a dicha agricultura impulsada por sensores sigue siendo una industria incipiente. Según el Departamento de Agricultura de EE. UU., La adopción del enfoque aún es vacilante y débil. Por lo tanto, organizaciones como la Sociedad Internacional para la Agricultura de Precisión (ISPA) y el Centro Noruego para la Agricultura de Precisión están llevando a cabo activamente investigaciones para ayudar a una mayor adopción del enfoque. Además, las tecnologías de base siguen bajando de precio, erosionando una de las principales barreras para la adopción de muchos agricultores. Y el USDA indica que la mayoría de los productores de alimentos reconocen que eventualmente tendrán que adoptar la tecnología.
La adopción no puede llegar demasiado pronto. La población mundial está en camino de aumentar a más de 9 mil millones en los próximos años. El aumento estimado del 70% en la producción de alimentos indica que la implementación completa de la agricultura de precisión será necesaria para satisfacer la demanda. Para los desarrolladores, eso significa que sigue habiendo un gran potencial para el mercado de sistemas de sensores agrícolas.