Diseño de un sistema de riego inteligente y eficiente: Características y estrategias clave para el éxito

¿Es consciente de que el 70% de las extracciones de agua del mundo se utiliza para riego? Lamentablemente, aquí es también donde se produce la mayor parte del desperdicio de agua: aproximadamente el 60% del agua de riego se pierde debido a la evapotranspiración, la escorrentía de la tierra y los métodos de uso ineficientes. Con la creciente población mundial y la disminución de los recursos de agua dulce, se necesitan acciones urgentes para mejorar la forma en que recolectamos, usamos y almacenamos agua a escala global. Esto pone de relieve la necesidad crítica de gestionar nuestros recursos de una manera más inteligente y eficiente, especialmente en las industrias emergentes impulsadas por el Internet de las cosas (IoT). Hoy profundizaremos en el ámbito del riego inteligente y en cómo puede desempeñar un papel importante para aliviar los crecientes niveles de estrés hídrico en todo el mundo.

Figura 1. Sistema de riego por aspersión. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Por lo tanto, en esta publicación de blog, exploraremos los impulsores clave que dan forma al mercado de riego inteligente, identificaremos los desafíos específicos que deben abordarse y presentaremos la solución Radiocrafts Industrial IP Mesh (RIIM) como una solución prometedora para sistemas de riego inteligentes.

¿Cuáles son los impulsores del mercado de riego inteligente?

La demanda de sistemas ecológicos y una gestión sostenible de los recursos se ha convertido en una fuerza impulsora en el mercado del riego inteligente. Existe una necesidad creciente de desarrollar arquitecturas eficientes y ambientalmente responsables que minimicen nuestra huella ecológica. Además, existe una necesidad creciente de lograr estos objetivos de manera rentable, haciendo que el desarrollo de dicha infraestructura sea más accesible y factible.

El riego inteligente tiene la notable capacidad de permitir el desarrollo de sistemas de riego y la producción de alimentos en lugares que antes eran inhóspitos, incluidos los parajes desérticos. Puede parecer contradictorio, pero con un riego inteligente podemos revolucionar la forma en que vemos los desiertos: ya no como tierras baldías yermas, sino como terrenos fértiles para la producción de alimentos. Esta tecnología tiene el potencial de transformar paisajes áridos en paraísos exuberantes y productores de alimentos, lo que nos permitirá satisfacer la creciente demanda de alimentos de una población mundial en crecimiento. Además, el riego inteligente es particularmente crítico en regiones empobrecidas, como la región del Sahara en África, donde la producción local de alimentos puede desempeñar un papel vital para alimentar a la población y mejorar la seguridad alimentaria.

Figura 2. Agricultura avanzada en ambiente desértico. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Sin embargo, el mercado del riego inteligente enfrenta ciertas limitaciones, como limitaciones en el acceso al agua, disponibilidad de tierra cultivable y mano de obra adecuada para gestionar eficazmente el sistema de riego.

¿Cuáles son los problemas específicos a resolver en el riego inteligente?

Cuando se trata de construir un sistema de riego inteligente y eficiente, existen varios desafíos de comunicación inalámbrica que deben abordarse. Algunos de los requisitos clave incluyen:

• Conectividad confiable: Garantizar una baja pérdida de paquetes y lograr una alta tasa de recepción de paquetes del 99.99% para garantizar una comunicación sólida y confiable.
• Baja latencia: Lograr una baja latencia de alrededor de 10 ms para aplicaciones en tiempo real donde los retrasos son inaceptables, al mismo tiempo que se tienen en cuenta aplicaciones que pueden tolerar retrasos ligeramente más largos, como en procesos de movimiento lento como el monitoreo de procesos y la supervisión de mantenimiento.
• Alcance y cobertura suficientes: Proporcionar una amplia gama y cobertura en entornos rurales grandes y semiabiertos para garantizar una conectividad perfecta en todo el sistema de riego.
• Comunicación bidireccional: Permitir la comunicación bidireccional no solo para recopilar datos de los sensores sino también para controlar dispositivos como válvulas, lo que permite la operación y el control remotos del sistema de riego.
• Implementación sencilla: Garantizar la facilidad de implementación, particularmente en entornos hostiles como los desiertos, donde el sistema necesita soportar condiciones extremas.
• Alta confiabilidad: Garantizar una larga vida útil de la batería para un funcionamiento confiable y reducir la necesidad de reemplazos frecuentes de la batería en ubicaciones remotas.
• Instalación simple: Facilitar una instalación sencilla sin necesidad de cableado de alimentación adicional, facilitando la configuración del sistema en varias ubicaciones.
• Actualizaciones inalámbricas (OTA): Habilitar actualizaciones OTA de firmware para permitir actualizaciones sin contacto, especialmente en ubicaciones remotas y de difícil cobertura donde el acceso físico puede ser un desafío.

Abordar estos desafíos de la comunicación inalámbrica es crucial para desarrollar un sistema de riego inteligente robusto y eficiente que pueda operar de manera confiable en diversos entornos y optimizar de manera efectiva el uso del agua para las necesidades agrícolas.

Figura 3. Monitoreo de datos de sensores. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Solución de malla de largo alcance de Radiocrafts como solución eficiente para sistemas de riego inteligentes

La solución RIIM (Radiocrafts Industrial IP Mesh) de Radiocraft es un módulo de malla de IoT industrial totalmente integrado que viene con todos los componentes esenciales para una red inalámbrica completa, sin tarifas de licencia ni costos de suscripción. Cuando compra el módulo RIIM, obtiene una solución lista para usar para su sistema de riego inteligente. Es más, la arquitectura de red en malla de RIIM le permite autoformarse, autorrepararse y optimizarse automáticamente, lo que simplifica considerablemente la instalación y puesta en marcha de su sistema de riego inteligente.

(Fuente de la imagen: Radiocrafts)

RIIM de Radiocrafts ofrece una impresionante cobertura de aproximadamente 80 x 80 km² en un entorno rural semiabierto. Admite hasta 1400 metros entre dispositivos y puede distribuir datos a través de la red transmitiendo los datos de un dispositivo a otro hasta 28 veces (28 lúpulos de malla). RIIM también puede acomodar hasta 1000 nodos para un único enrutador fronterizo (puerta de enlace), que ayuda a reducir los costos de instalación al requerir menos puertas de enlace para implementaciones a gran escala. Además, para cubrir un área aún mayor, puede agregar fácilmente otro enrutador fronterizo.

Una de las características únicas de RIIM es su marco ICI (E/S inteligente programable en C), que garantiza que el comportamiento del módulo se pueda adaptar a los requisitos específicos de cada cliente. La aplicación ICI siempre se ejecuta en el módulo y permite la configuración de la red de radio, las interfaces de hardware y las operaciones de lectura/escritura en esas interfaces. Esto significa que puede interactuar directamente con una amplia gama de sensores y actuadores, como sensores de humedad del suelo, controles de válvulas de agua, sensores UV, sensores de lluvia/congelación, sensores de viento y más, sin necesidad de circuitos externos.

Además, RIIM es compatible con la computación de niebla, lo que reduce los requisitos de ancho de banda y permite respuestas rápidas a eventos locales. Esto permite un procesamiento de datos y una toma de decisiones eficientes en el borde, minimizando la necesidad de transmisión de datos a la nube y permitiendo acciones en tiempo real basadas en datos de sensores locales. El marco de ICI de RIIM y las capacidades de computación de niebla lo convierten en una solución potente y flexible para sistemas de riego inteligentes, que ofrece un rendimiento confiable y rentable.

Figura 4. Marco ICI de Radiocrafts. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Una ventaja clave de RIIM es su compatibilidad con la comunicación simétrica bidireccional, que es crucial para el control de válvulas en sistemas de riego inteligentes. A diferencia de muchas otras soluciones de conectividad de IoT que se centran en la comunicación de datos de sensores unidireccionales, RIIM fue diseñado para manejar comunicaciones de enlace ascendente y descendente. Esto significa que RIIM no solo puede recopilar lecturas de sensores, sino que también puede controlar eficazmente dispositivos como válvulas, que requieren comunicación de enlace descendente. Esto convierte a RIIM en una solución totalmente simétrica, que permite una comunicación fluida en ambas direcciones.

Esto es especialmente importante para los sistemas de riego inteligentes, donde el control de válvulas juega un papel fundamental en la gestión del flujo de agua y la optimización de los cronogramas de riego. Muchas tecnologías populares LPWAN (redes de área amplia de bajo consumo) tienen dificultades con la comunicación de enlace descendente escalable, pero RIIM está diseñada específicamente para manejar este requisito de manera eficiente. Como resultado, muchas otras soluciones LPWAN pueden tardar alrededor de 1 minuto o más en abrir y cerrar una válvula, mientras que RIIM puede lograrlo en solo un par de segundos. Con RIIM, puede gestionar con confianza tanto la recopilación de datos de los sensores como el control del dispositivo, lo que la convierte en una solución integral y confiable para aplicaciones de riego inteligente.

Figura 5. Control de válvulas. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

Además, un enfoque de comunicación totalmente simétrico permite actualizaciones inalámbricas (OTA) en RIIM. Esto significa que puede actualizar el firmware de ICI definido por el usuario incluso cuando la red esté implementada y en pleno funcionamiento, lo que permite una integración perfecta de nuevos sensores o controladores según sea necesario. Esto es especialmente valioso en los sistemas de riego inteligentes, donde muchas ubicaciones pueden ser de difícil acceso y estar en funcionamiento durante largos períodos de tiempo. Las actualizaciones de firmware OTA garantizan que su sistema se mantenga actualizado sin interrumpir su funcionamiento, proporcionando una manera conveniente y eficiente de agregar nuevas funcionalidades o mejorar el rendimiento.

RIIM también es conocido por su excepcional fiabilidad, gracias a su compatibilidad con salto de canal sincronizado con el tiempo (TSCH). TSCH es una técnica de red en malla diseñada para minimizar las colisiones de paquetes y aumentar la confiabilidad general de la red. De hecho, se ha demostrado que las redes basadas en TSCH alcanzan niveles de confiabilidad de hasta el 99.99%, lo que convierte a RIIM en una solución sólida y confiable para aplicaciones de riego inteligente.

Además, RIIM prioriza la seguridad. Cuenta con cifrado mediante una clave precompartida y admite seguridad de DTLS de extremo a extremo, lo que garantiza que su sistema de riego inteligente permanezca protegido contra posibles piratas informáticos. Con RIIM, puede confiar en que los datos de su sistema están seguros y sus procesos de riego protegidos, lo que le brinda tranquilidad y confianza en la integridad de su sistema de riego inteligente.

Figura 6. Sensor de viento. (Fuente de la imagen: Radiocrafts)

RIIM está diseñado específicamente para operar con bajo consumo, lo que lo hace ideal para proyectos duraderos que dependen del funcionamiento con batería. Por ejemplo, RIIM admite una duración de batería de 7 años con solo 2 baterías AA. ¿Cómo? Incorporando varias características que trabajan juntas para minimizar el consumo de energía, entre las que se incluyen:

• Componentes electrónicos de bajo consumo: RIIM utiliza componentes electrónicos energéticamente eficientes, lo que garantiza que el consumo total de energía se minimice desde el principio.
• Modo de suspensión para nodos hoja de red: RIIM permite que los nodos hoja de la red se pongan en modo de suspensión de bajo consumo, reduciendo su consumo de corriente a un mínimo de solo 4.7 uA, lo que ayuda a prolongar la vida útil de la batería.
• Energía de salida configurable: La energía de salida del módulo se puede ajustar, evitando el consumo innecesario de energía durante las operaciones de transmisión y garantizando que solo se utilice la potencia requerida.
• Salto de canal sincronizado con el tiempo (TSCH): RIIM emplea TSCH, que permite que los enrutadores de malla entren en modo de suspensión cuando no hay intervalos de tiempo para paquetes de datos de RF entrantes o salientes, lo que ahorra aún más energía.
• Tratamiento de datos con ICI: RIIM admite el procesamiento de datos a través del firmware ICI definido por el usuario, lo que puede reducir significativamente el consumo de energía. Esto permite la computación en la nube, donde solo se envían a la nube datos relevantes, como alarmas activadas por cruces de umbrales, minimizando la transferencia de datos innecesaria y conservando energía.

Esta impresionante duración de la batería convierte a RIIM en una excelente opción para proyectos que requieren un funcionamiento prolongado y de bajo consumo sin reemplazos frecuentes de la batería.

¿Qué rescatar de esto?

A medida que la población mundial continúa creciendo a un ritmo sin precedentes, nuestros recursos finitos, en particular nuestras fuentes naturales de agua, se vuelven cada vez más escasos. Esta apremiante realidad subraya la urgente necesidad de utilizar nuestros limitados recursos de la manera más eficiente posible. El Internet de las cosas (IoT), a pesar de ser un concepto relativamente nuevo, ha logrado avances notables en la consecución de este objetivo. Un área en la que la industria del IoT ha contribuido significativamente a maximizar la eficiencia y al mismo tiempo ser respetuosa con el medioambiente es el ámbito del riego inteligente. Crear un sistema de riego inteligente eficaz requiere cumplir diversos requisitos, como módulos de RF de largo alcance, amplia cobertura, comunicación bidireccional y bajo consumo de energía, entre otros. La solución Radiocrafts Industrial IP Mesh se destaca por cumplir con todos estos requisitos y más, lo que la convierte en una solución ideal para el riego inteligente. Aprovechando el poder del IoT, podemos lograr avances significativos en pos del uso y la conservación sostenible del agua, contribuyendo a un futuro más ecológico y eficiente.