Agricultura inteligente, también conocida como agricultura de precisión, permite a los agricultores maximizar los rendimientos utilizando recursos mínimos como agua, fertilizantes y semillas. Al implementar sensores y mapear campos, los agricultores pueden comenzar a comprender sus cultivos a microescala, conservar los recursos y reducir los impactos en el medio ambiente. La agricultura inteligente tiene raíces que se remontan a la década de 1980, cuando la capacidad del Sistema de posicionamiento global (GPS) se volvió accesible para uso civil. Una vez que los agricultores pudieron mapear con precisión sus campos de cultivo, pudieron monitorear y aplicar fertilizantes y tratamientos de malezas solo en las áreas que lo requerían. Durante la década de 1990, los primeros usuarios de la agricultura de precisión adoptaron el monitoreo del rendimiento de los cultivos para generar recomendaciones de fertilizantes y corrección de pH. A medida que se podrían medir e ingresar más variables en un modelo de cultivo, recomendaciones más precisas para la aplicación de fertilizantes, el riego e incluso la cosecha de rendimiento máximo,
En este artículo, exploraremos cómo estas tecnologías de detección se han tejido en los grandes agronegocios modernos y discutiremos cómo la progresión de la tecnología, tanto a las pequeñas granjas en el hogar como a nivel mundial, puede aumentar nuestra capacidad para alimentar al mundo.
Sensores agrícolas
En la agricultura de precisión se utilizan varias tecnologías de detección, que proporcionan datos que ayudan a los agricultores a monitorear y optimizar los cultivos, así como a adaptarse a los factores ambientales cambiantes, que incluyen:
Los sensores de ubicación utilizan señales de los satélites GPS para determinar la latitud, la longitud y la altitud dentro de los pies. Se requieren tres satélites como mínimo para triangular una posición. El posicionamiento preciso es la piedra angular de la agricultura de precisión. GPS integrado circuitos como el NJR NJG1157PCD-TE1 son un buen ejemplo de sensores de localización.
Los sensores ópticos usan luz para medir las propiedades del suelo. Los sensores miden diferentes frecuencias de reflectancia de luz en espectros de luz infrarroja cercana, infrarroja media y polarizada. Los sensores se pueden colocar en vehículos o plataformas aéreas como drones o incluso satélites. Los datos de reflectancia del suelo y color de la planta son solo dos variables de los sensores ópticos que se pueden agregar y procesar. Se han desarrollado sensores ópticos para determinar la arcilla, la materia orgánica y el contenido de humedad del suelo. Vishay , por ejemplo, ofrece cientos de fotodetectores y fotodiodos , un componente básico para los sensores ópticos ( Figura 1 ).
Sensor IC fotográfico Vishay
Figura 1: Sensor IC fotográfico Vishay
Los sensores electroquímicos proporcionan información clave necesaria en la agricultura de precisión: pH y niveles de nutrientes del suelo. Los electrodos sensores funcionan detectando iones específicos en el suelo. Actualmente, los sensores montados en “trineos” especialmente diseñados ayudan a recopilar, procesar y mapear datos químicos del suelo.
Los sensores mecánicos miden la compactación del suelo o la «resistencia mecánica». Los sensores utilizan una sonda que penetra en el suelo y registra las fuerzas resistivas mediante el uso de celdas de carga o galgas extensométricas. Una forma similar de esta tecnología se utiliza en tractores grandes para predecir los requisitos de tracción para los equipos de contacto con el suelo. Los tensiómetros, como Honeywell FSG15N1A , detectan la fuerza utilizada por las raíces en la absorción de agua y son muy útiles para intervenciones de riego ( Figura 2 ).
Sensor de fuerza Honeywell FSG15N1A
Figura 2: Sensor de fuerza Honeywell
Los sensores dieléctricos de humedad del suelo evalúan los niveles de humedad midiendo la constante dieléctrica (una propiedad eléctrica que cambia según la cantidad de humedad presente) en el suelo.
Los sensores de flujo de aire miden la permeabilidad del aire del suelo. Las mediciones se pueden realizar en ubicaciones singulares o de forma dinámica mientras está en movimiento. La salida deseada es la presión requerida para empujar una cantidad predeterminada de aire al suelo a una profundidad prescrita. Varios tipos de propiedades del suelo, incluida la compactación, la estructura, el tipo de suelo y el nivel de humedad, producen firmas de identificación únicas.
Las estaciones meteorológicas agrícolas son unidades autónomas que se colocan en varios lugares en los campos de cultivo. Estas estaciones tienen una combinación de sensores apropiados para los cultivos locales y el clima. La información como la temperatura del aire, la temperatura del suelo a varias profundidades, la lluvia, la humedad de las hojas, la clorofila, la velocidad del viento, la temperatura del punto de rocío, la dirección del viento, la humedad relativa, la radiación solar y la presión atmosférica se miden y registran a intervalos predeterminados. Estos datos se compilan y envían de forma inalámbrica a un registrador de datos central a intervalos programados. Su portabilidad y precios decrecientes hacen que las estaciones meteorológicas sean atractivas para granjas de todos los tamaños.
Salida de sensor aplicada
Las tecnologías de detección proporcionan datos procesables para ser procesados e implementados según sea necesario para optimizar el rendimiento de los cultivos y minimizar los efectos ambientales. A continuación, se muestran algunas de las formas en que la agricultura de precisión aprovecha estos datos:
Los sistemas de monitoreo de rendimiento se colocan en vehículos de recolección de cultivos, como cosechadoras y cosechadoras de maíz. Proporcionan un rendimiento de peso del cultivo por tiempo, distancia o ubicación GPS medidos y registrados dentro de los 30 cm.
El mapeo de rendimiento utiliza datos de coordenadas espaciales de sensores GPS montados en equipos de recolección. Los datos de seguimiento del rendimiento se combinan con las coordenadas para crear mapas de rendimiento.
Las herramientas de aplicación de fertilizantes de dosis variable utilizan mapas de rendimiento y quizás estudios ópticos de la salud de las plantas determinados por la coloración para controlar los materiales fertilizantes granulares, líquidos y gaseosos. Los controladores de velocidad variable se pueden controlar manualmente o automáticamente mediante una computadora a bordo guiada por una ubicación GPS real.
Weed Mapping utiliza actualmente la interpretación y la entrada del operador para generar mapas marcando rápidamente la ubicación con un receptor GPS y un registrador de datos. Las apariciones de malezas pueden luego superponerse con mapas de rendimiento, mapas de fertilizantes y mapas de aspersión. A medida que mejoren los sistemas de reconocimiento visual, la entrada manual pronto será reemplazada por sistemas visuales automatizados montados en el equipo de trabajo.
Los controladores de pulverización variable encienden y apagan las barras de pulverización de herbicidas y personalizan la cantidad (y la mezcla) de pulverización aplicada. Una vez que se identifican y mapean las ubicaciones de las malezas, se puede determinar el volumen y la mezcla del rociado.
La topografía y los límites se pueden registrar utilizando GPS de alta precisión, lo que permite realizar una representación topográfica muy precisa de cualquier campo. Estos mapas de precisión son útiles para interpretar mapas de rendimiento y mapas de malezas. Los límites de los campos, los caminos existentes y los humedales se pueden ubicar con precisión para ayudar en la planificación de la granja.
El mapeo de salinidad se realiza con un medidor de salinidad en un trineo remolcado a través de campos afectados por la salinidad. El mapeo de salinidad interpreta los problemas emergentes, así como los cambios en la salinidad a lo largo del tiempo.
Los sistemas de guía pueden posicionar con precisión un vehículo en movimiento dentro de los 30 cm o menos usando GPS. Los sistemas de guía sustituyen a los equipos convencionales de pulverización o siembra. Los vehículos autónomos están actualmente en desarrollo y es probable que se pongan en uso en un futuro muy próximo.
La agricultura a gran escala ganó un punto de apoyo temprano en la práctica de la agricultura de precisión. Los sensores, la infraestructura y los equipos de procesamiento costosos solo podrían ser puestos a trabajar de manera realista por empresas agrícolas con suficiente capital disponible para invertir. Aquellos que invirtieron en agricultura de precisión obtuvieron grandes beneficios en términos de rendimiento de los cultivos.
Escalando a la agricultura «pequeña»
En los Estados Unidos, las pequeñas granjas, incluidas las orgánicas y tradicionales, representan el 91 por ciento de casi 2 millones de granjas. Con un mercado potencial de 1.8 millones de pequeñas granjas solo en los Estados Unidos, los desarrolladores y diseñadores se han dado cuenta de las oportunidades que presenta la integración de técnicas de agricultura de precisión en una escala más pequeña. Los sensores y aplicaciones de teléfonos inteligentes, así como la maquinaria a pequeña escala, permiten que las granjas más pequeñas aprovechen las tecnologías de agricultura de precisión.
Herramientas para teléfonos inteligentes
El teléfono inteligente solo tiene varias herramientas que se pueden adaptar a las aplicaciones agrícolas. Por ejemplo, las observaciones de cultivos y suelos se pueden registrar en forma de fotografías, ubicaciones precisas, colores del suelo, agua, hojas de plantas y propiedades de la luz. La Tabla 1 enumera algunas herramientas en el teléfono que son útiles para recopilar datos:
Cuadro 1: Usos agrícolas de las herramientas de teléfonos inteligentes existentes.
Herramienta para smartphone
Aplicaciones de agricultura inteligente
Cámara
Proporciona imágenes de la salud de las hojas, el brillo de la iluminación, la medición de la clorofila y el nivel de madurez. También se utiliza para medir el índice de área foliar (LAI) y medir la composición orgánica y de carbono del suelo.
GPS
Proporciona ubicación para mapeo de cultivos, alertas de ubicación de plagas / enfermedades, predicciones de radiación solar y fertilización.
Micrófono
Ayuda con el mantenimiento predictivo de maquinaria.
Acelerómetro
Ayuda a determinar el índice de ángulo de la hoja. También se utiliza como alarma de vuelco de equipo.
Giroscopio
Detecta el vuelco del equipo.
Aplicaciones para teléfonos inteligentes
Muchas aplicaciones de teléfonos inteligentes han comenzado a incorporar los ideales de Internet de las cosas (IoT), la agregación de datos y el procesamiento rápido para brindar información actualizada y procesable a los pequeños agricultores con respecto a la siembra, el deshierbe, la fertilización y el riego. Estas aplicaciones recopilan datos de sensores portátiles, sensores remotos y estaciones meteorológicas, creando análisis en profundidad y recomendaciones valiosas. Se han desarrollado varias aplicaciones dirigidas específicamente al pequeño agricultor:
Detección y diagnóstico de enfermedades: las fotografías tomadas de plantas sospechosas pueden enviarse a expertos para su análisis.
Calculadora de fertilizantes: los sensores del suelo y el color de las hojas pueden determinar qué nutrientes se necesitan.
Estudio del suelo: capturar imágenes del suelo, así como datos químicos y de pH de los sensores, permite a los agricultores monitorear y adaptarse a las condiciones cambiantes del suelo.
Estudio del agua: la determinación del índice de área foliar a partir de fotografías y el registro de brillo puede ayudar a los agricultores a determinar las necesidades de agua.
Preparación para la cosecha: las fotos de la cámara con luz ultravioleta y blanca predicen con precisión la madurez.
Cuando las aplicaciones especializadas mejoran la productividad agrícola al analizar el suelo, los cultivos, las malezas y las variables de plagas, además de ofrecer información valiosa para las decisiones agrícolas, la calidad de vida del pequeño agricultor puede mejorar notablemente.
Maquinaria a pequeña escala
Los fabricantes también están buscando desarrollar soluciones específicamente para pequeñas granjas, como el «Rowbot», que puede fertilizar, abonar las malezas y sembrar semillas para cultivos de cobertura. Mucho más pequeño y ágil que el equipo de cultivo tradicional, el Rowbot puede caber entre las hileras de cultivos, no compacta el suelo y puede distribuir microdosis de fertilizante. La ampliación de las operaciones se puede lograr conectando las máquinas en «bandadas».
Implicaciones globales
En el mundo en desarrollo, aproximadamente 500 millones de pequeñas granjas producen más del 80 por ciento de los alimentos consumidos. La tecnología de la agricultura de precisión es cada vez más accesible en todo el mundo. Los nuevos dispositivos portátiles pueden medir la salud de las plantas y el suelo, brindando a los agricultores la información necesaria para calcular con precisión los requisitos de fertilizantes. Dado que las Naciones Unidas proyectan que la demanda mundial de alimentos aumentará en un 50 por ciento para 2050, se demandarán tecnologías de agricultura de precisión para granjas de todos los tamaños.
Resolver problemas para granjas tanto grandes como pequeñas y ayudar a los agricultores a satisfacer las crecientes demandas de alimentos no son las únicas soluciones que la agricultura de precisión inteligente puede brindar. La agricultura inteligente ofrece una serie de otros beneficios, como:
Reducir el consumo de combustible y energía reduciendo así las emisiones de dióxido de carbono
Reducir el óxido nitroso liberado del suelo optimizando el uso de fertilizantes nitrogenados
Reducir el uso de productos químicos al identificar las necesidades de fertilizantes y control de plagas
Eliminando el agotamiento de nutrientes mediante el monitoreo y manejo de la salud del suelo
Controlar la compactación del suelo minimizando el tráfico de equipos
Maximizar la eficiencia del uso del agua
Conclusión
La agricultura de precisión ha crecido para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos utilizando tecnologías que simplifican y abaratan la recopilación y aplicación de datos, la adaptación a las condiciones ambientales cambiantes y el uso de los recursos de la manera más eficiente. Aunque las granjas grandes han sido las primeras en adoptar estas tecnologías, las granjas más pequeñas ahora también pueden beneficiarse, utilizando herramientas integradas en teléfonos inteligentes, aplicaciones relevantes y maquinaria de menor tamaño. Además, estas tecnologías están contribuyendo a soluciones que se extienden más allá de las granjas, incluida la contaminación, el calentamiento global y la conservación.
Los desarrollos futuros en la agricultura de precisión probablemente incluirán un mayor uso de vehículos agrícolas autónomos , así como una mejor transmisión y adquisición de datos inalámbricos de vehículos aéreos no tripulados y terrestres no tripulados más inteligentes y pequeños (UAV y UGV, respectivamente). Además de monitorear las condiciones de los cultivos y el suelo, estos vehículos más pequeños también pueden monitorear el estado del equipo agrícola, lo que permite a los agricultores mejorar el servicio y el mantenimiento de las máquinas. En general, las mejoras de procesos aprendidas en el ámbito de la fabricación industrial continuarán abriéndose camino en la agricultura.