Vol. 4, N° e624,
año 2022
ISSN – Online: 2708-3039
DOI:
https://doi.org/10.47796/ing.v4i0.624
Artículo
original
Sistema IoT basado
en ESP32 para el control y monitoreo de cultivos en invernadero con enfoque de
agricultura 4.0
ESP32-based
IoT system for controlling and monitoring greenhouse crops with an agriculture
4.0 approach
Sebastian Berrios Gomez[1]
https://orcid.org/ 0000-0002-0123-3186
Hugo Javier Rivera Herrera[2]
https://orcid.org/
0000-0002-9896-5008
Recibido: 23/05/2022
Aceptado: 19/06/2022
Publicado: 01/07/2022
Resumen
La agricultura 4.0 incorpora tecnologías de
información y comunicación como el Internet de las Cosas (IoT), bases de datos
y aplicativos de teléfonos inteligentes. El cultivo bajo invernaderos a su vez,
permite el uso racional del recurso hídrico y obtener mayor producción en
menores áreas de cultivo. El incremento de la productividad genera las
condiciones propicias para asegurar la alimentación de poblaciones en un futuro
cercano. La investigación presenta una propuesta de un sistema IoT para
monitorear y controlar parámetros inherentes a los cultivos bajo invernadero
basado en el microcontrolador ESP32, utiliza nodos sensores para recolectar
mediciones de temperatura, humedad relativa, humedad del suelo, así como el
nivel de agua para riego. Mediante el protocolo de comunicación inalámbrica
ESP-NOW, los nodos sensores envían la información al nodo central. El nodo
central activa y desactiva los actuadores para controlar los parámetros
climáticos y registra la información en una base de datos para monitorearlos en
tiempo real. La aplicación móvil muestra lecturas de la base de datos y
permiten encender y apagar actuadores de forma manual. El sistema se desarrolló
para el cultivo de lechugas en invernaderos tipo túnel, pero puede aplicarse a
otro tipo de cultivos e invernaderos debido a su flexibilidad.
Palabras clave: Internet de las Cosas; invernadero; ESP32;
protocolo ESP-NOW; sensor.
Abstract
Agriculture 4.0
incorporates information and communication technologies such as the Internet of
Things (IoT), databases and smartphone applications. Greenhouse farming, at the
same time, allows a rational use of water resources and a greater production in
smaller cultivation areas. The increase in productivity generates the right
conditions to ensure the nourishment of populations in the near future. The
research presents a proposal for an IoT system to monitor and control
parameters inherent to greenhouse crops based on the ESP32 microcontroller,
using sensor nodes to collect data on temperature, relative humidity, soil
moisture, as well as water level for irrigation. Using the ESP-NOW wireless
communication protocol, the sensor nodes send the information to the central
node. The central node activates and deactivates the actuators to control the
climatic parameters and saves the information in a database for real-time
monitoring. The mobile application displays readings from the database and
allows actuators to be turned on and off manually. The system was developed for
growing lettuce in tunnel greenhouses, but can be applied to other types of
crops and greenhouses due to its flexibility.
Keywords: Internet
of the things, greenhouse, ESP32, ESP-NOW Protocol, sensor.
1. Introducción
Los principales factores que limitan el incremento de la
producción agrícola son la escasez de tierras y de agua (FAO, 2017). Es así que
a futuro la productividad dependerá de la inversión en la mecanización de las
actividades incluso en agricultura de pequeña escala. El uso de invernaderos
permite minimizar el impacto de estos factores limitantes y mejorar su
eficiencia a través de la digitalización de los datos. En este sentido, Trendov
et al. (2019) indican que en las últimas décadas hubo un desarrollo acelerado
de tecnologías digitales como resultado de la evolución exponencial de las
capacidades computacionales y del desarrollo informático y electrónico, por lo
que surge la agricultura digital, la agricultura inteligente o agricultura 4.0
incorporando estas tecnologías en sus procesos productivos como sensores,
Internet de las Cosas, drones y computación en la nube. En ese sentido, los
estudios consisten en correlacionar la producción con las condiciones
ambientales y manipular las variables como luz, humedad y temperatura que
inciden en el crecimiento, desarrollo y productividad (De Paula et al., 2017;
Silva et al., 2020). La modelización y control del crecimiento de las plantas
en invernaderos tienen como objetivo tener un control jerárquico de optimización
multiobjetivo de alto nivel que maximice los beneficios, la calidad de los
frutos y la eficiencia en el uso del agua (Costa et al., 2021).
A través del Internet de las Cosas (IoT), múltiples
dispositivos pueden interconectarse entre sí de manera inteligente. Estos
incluyen sensores, actuadores, software y plataformas de red que permiten la
conectividad, su monitoreo y acceso a los datos que generan (Dorsemain, 2015).
Por ello, Wu-Yeng et al. (2018) muestran que es posible usar Firebase, que es
una combinación de servicios de Google en la nube que incluyen mensajería
instantánea, autenticación de usuario, base de datos en tiempo real,
almacenamiento entre otros, por su parte Le Troung et al (2021) aseveran que
Firebase Realtime Database se integra con aplicaciones web y aplicaciones
móviles, permitiendo además clasificar datos provenientes de sensores.
Estudios realizados por Maier et al. (2017) comparan
entre diversos módulos que permiten desarrollar productos IoT, concluyendo que
el Espressif System ESP32-DevKitC se adapta perfectamente a propósitos de
investigación.
En esa línea, la investigación planeó una solución de
Internet de las Cosas basada en ESP32-DevKitC para el monitoreo y control de
cultivos de hortalizas en invernaderos. Además, se utilizó Firebase Realtime
Database para almacenar los datos medidos en los sensores y se implementó una
aplicación móvil mediante Android Studio enfocadofd como aporte tecnológico
para la inserción de soluciones digitales en el ámbito agrícola.
2. Objetivo
Diseñar un sistema IoT basado en ESP32
para el monitoreo y control de temperatura, humedad del ambiente,
humedad del suelo y nivel de agua de riego para el cultivo de lechugas en
invernaderos.
3. Metodología
La metodología seguida es la propuesta
por Pahl et al. (2007) y las fases de diseño son las siguientes:
Fase 1. Identificación de requerimientos
Se realizó un estudio de las
características de los cultivos en invernaderos y las condiciones idóneas para
su desarrollo. Se estableció las especificaciones técnicas del producto a
desarrollar y sus restricciones. Según lo propuesto por Iglesias (2006), para
el cultivo de hortalizas bajo cubierta; se debe monitorear el clima dentro del
invernadero para tener buenos rendimientos, considerando la temperatura, humedad relativa y humedad del suelo. Así
este tipo de cultivos deben poseer una fuente continua de agua para riego,
siendo prioritario el uso de reservorios o tanques.
Para la evaluación del sistema, se
eligió el cultivo de lechuga y su diseño obedece a los parámetros definidos por la Cámara de Comercio de
Bogotá (2015) que indica que para el cultivo de esta hortaliza, el rango óptimo
de temperatura en horario diurno oscila entre 15 °C a 20 °C, mientras que, en
horario nocturno es entre 10 °C a 15 °C. La humedad relativa es independiente
del horario y oscila entre 60 % y 70 %. La humedad del suelo debe oscilar entre
50 % y 75 %. Adicionalmente, el sistema controla el nivel de agua en el tanque
a partir del cual se suministra el líquido.
Fase 2. Diseño conceptual
A partir de los parámetros del
cultivo que deben ser monitoreados y controlados, se realizó una disgregación
funcional en módulos que sirvieron para cumplir con la tarea de recolectar
datos relevantes para el sistema. Es así que se dispuso con módulos sensores
(nodos sensores) que captaban los niveles de temperatura, humedad del ambiente,
humedad del suelo, nivel de líquido en un tanque de agua y un nodo central que
recolectaba los datos para convertirlos en información en la nube.
En este contexto, se estudiaron
soluciones posibles utilizando distintas tecnologías de Internet de las Cosas.
Se eligió, con base en criterios técnicos y económicos, utilizar el
ESP32-DevKitC así como sensores y actuadores de bajo costo disponibles en el
mercado local, tales como el ESP32-DevKitC, que es una tarjeta de desarrollo
basada en el ESP32 y producida por Espressif. El ESP-32 incorpora conexión WiFi
y Bluetooth, utiliza un procesador Xtensa de doble núcleo de 32bits a 240MHz
con una ROM de 448KB, una SRAM de 520KB y una memoria flash de hasta 16MB.
Cuenta con 34 pines GPIO y 16 pines configurables como PWM por software
(Espressif System, 2022).
Para la comunicación entre nodos,
se utilizó la tecnología inalámbrica ESP-NOW, el cual permite transmisión de
tramas con hasta 250 bytes de datos (Espressif System, 2016).
Fase 3. Diseño de detalle
La solución elegida consiste en
una red tipo estrella conformada por un nodo central y tres nodos sensores.
También forman parte del sistema el Firebase Realtime Database, la aplicación
móvil basada en Android Studio y los actuadores como se observa en la figura 1.
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Figura 1 Diagrama descriptivo del sistema |
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Los nodos sensores recolectan la temperatura, la
humedad del ambiente, la humedad de suelo y el nivel del tanque de agua para riego. Todos estos datos son enviados al nodo central, el cual se encarga de
remitirlos a la base de datos y activar o desactivar actuadores de acuerdo a
los rangos establecidos en las especificaciones técnicas. La aplicación móvil
adquiere la información de la base de datos y la muestra en su interfaz,
también permite encender o apagar los actuadores cuando el usuario lo crea
conveniente. Para visualizar los datos y el control de los actuadores desde
cualquier parte del mundo solo se requiere tener acceso a internet.
La Figura 2 muestra la disposición de los nodos
(central y sensores) y de los actuadores en el invernadero.
El invernadero tipo túnel tiene un tamaño de 4 m de
alto, 6 m de ancho y 8 m de largo. El tanque de agua tiene un diámetro de 1,49
m y una altura de 1,15 m, con una capacidad máxima de 2 000 L de agua.
Todos los nodos están conformados por el módulo
ESP32-DevKitC y su componente o componentes adicionales. Existe tres nodos
sensores: el Nodo Sensor – DHT22 está compuesto por el sensor de temperatura y
humedad y está ubicado a una altura media en el centro del invernadero, el Nodo
Sensor – HW-080 con el sensor de humedad de suelo está situado en medio de las
plantaciones y el Nodo Sensor – HC-SR04 está conformado por el sensor
ultrasónico y se encuentra en la parte superior del tanque de agua. El nodo
central se halla en una caja protectora en la parte superior de la esquina del
invernadero; a este nodo van conectados los actuadores.
Por otro lado, los ventiladores están localizados en la
parte posterior del invernadero, los calefactores en la parte superior del invernadero y la bomba de agua
en la parte inferior de la esquina posterior del invernadero.
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Figura 2 Distribución del sistema en el invernadero |
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Así mismo, para el control de la temperatura y humedad
se cuenta con un sistema de ventilación y calefacción. En el día, si la
temperatura se encuentra entre 15 °C y 20 °C, el ventilador y el calefactor
permanecerán apagados. Si la temperatura es mayor que 20 °C, el ventilador se
activa. Si la temperatura es menor a 15 °C, el calefactor se enciende. En la
noche, si la temperatura se encuentra entre 10 °C y 15 °C, el ventilador y el
calefactor permanecerán apagados. Si la temperatura es mayor que 15 °C, el
ventilador se activa. Si la temperatura es menor a 10 °C, el calefactor se
enciende. La figura 3 muestra el diagrama del sistema de control de
temperatura.
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Figura 3 Diagramas
del sistema de control de temperatura en horario diurno y nocturno |
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La figura 4 muestra el diagrama de control de la
humedad relativa. En este caso, el ventilador se enciende si la humedad
relativa es menor o igual a 60 % y se apaga cuando es mayor a 60 %. El
calefactor se activa si la humedad relativa es mayor o igual a 70 % y se
desactiva cuando es menor a 70 %.
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Figura 4 Diagrama
del sistema de control de humedad relativa |
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Para el control de la humedad del suelo, el sistema
activa la bomba de agua que permite el riego del cultivo si es menor o igual a
50 % y la desactiva cuando es mayor o igual a 75 % conforme se describe en la figura
5.
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Figura 5 Diagrama del sistema de control de humedad del suelo |
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La programación y configuración del sistema IoT, se
realizó mediante los IDE Arduino y Android Studio, así como la plataforma
Firebase.
El IDE Arduino se utilizó para la programación del
funcionamiento de todos los nodos, el IDE Android Studio para el desarrollo de
una aplicación móvil. La plataforma Firebase proporcionó una base de datos en
tiempo real que permitió que la información de la aplicación móvil sea
sincronizada y almacenada en la nube.
Las etapas que se siguieron para la configuración y
programación del sistema IoT fueron las siguientes:
·
Creación
de un proyecto Firebase
·
Creación
de un proyecto en Android Studio
·
Enlace de
los dos proyectos
·
Configuración
de la base de datos en Firebase
·
Configuración
de la interfaz de la aplicación móvil en Android Studio
·
Programación
del funcionamiento de los nodos en el Arduino IDE
4. Resultados
Se elaboraron módulos para realizar las conexiones eléctricas entre
los sensores y las tarjetas ESP-DevKitC de la forma como se muestra en la
figura 6.
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Figura 6 Módulos de nodos sensores |
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Una vez configurada la red, se realizaron las pruebas
de funcionamiento, comprobando que los parámetros establecidos para los
cultivos permanecieran en los rangos de valores predeterminados. Las pruebas se
asociaron a cultivo de lechugas, por lo que el sistema se programó para
mantener un rango óptimo de temperatura de horario diurno entre 15 °C y 20 °C y
de horario nocturno entre 10 °C y 15 °C, la humedad relativa entre 60 % y 70 %
y la humedad del suelo entre 50 % y 75 %.
Se comprobó la operación continua del sistema IoT al
tomar datos durante 24 h, de temperatura (con error nominal de ± 0,5 °C),
humedad relativa (con error nominal de ± 1 %) y humedad del suelo (la hoja de
especificaciones técnicas del sensor no establece un error nominal).
Para comprobar el funcionamiento en los rangos esperados
se modificaron artificialmente las condiciones del medio al incrementar el
valor de la temperatura (figura 7A) por encima de los 20 °C, el sistema
corrigió según lo esperado, mientras al disminuir el valor la humedad relativa
por debajo del 60 %, el sistema incrementó el valor (figura 7B), además el
sistema se activó automáticamente humedeciendo el terreno, luego de llegar al
límite máximo de 75 %, interrumpió el paso de agua (Figura 7C).
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Figura 7 Respuesta del sistema ante variaciones de los parametros |
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Nota. A = incremento de temperatura, B = disminución de humedad
relativa; C = incremento de humedad del suelo. |
El sistema
diseñado permite visualizar los valores en la aplicación móvil tal como se
puede observar en la figura 8.
El sistema opera según el diseño y acumulando
información de los sensores, y activa los actuadores de acuerdo a los
parámetros establecidos. Asimismo, la aplicación móvil reproduce con exactitud
la información almacenada en la base de datos y permite activar actuadores de
forma manual.
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Figura 8 Interfaz de aplicación móvil |
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5. Discusión
Los resultados muestran que mediante un
sistema IoT basado en el microcontrolador ESP32 y a través de una red
inalámbrica de sensores bajo el protocolo ESP-NOW, se logra realizar el
monitoreo y control de
temperatura, humedad relativa, humedad del suelo y nivel de agua para riego,
requerido para el cultivo en invernaderos. Además, el sistema permite enviar la
información a una base de datos y mostrarla en tiempo real al usuario a través
de una aplicación Android.
El sistema desarrollado es similar en cuanto a los
resultados encontrados por Kumar et al. (2020) en una red cableada basada en el
microcontrolador Arduino Uno, utilizando el sensor de temperatura y humedad
relativa DHT11, el comparador LM293 para medir la humedad del suelo y un LDR
para luminosidad concluyen que el sistema diseñado permite controlar
satisfactoriamente los parámetros descritos. En el mismo sentido, Umarov et al.
(2020) despliegan una red basada en Bluetooth para la comunicación inalámbrica
entre los nodos sensores y el nodo central utilizando el microcontrolador
ESP32. Con una configuración similar Akram y Challenger (2021), basada también
en el microcontrolador ESP32 y comunicación inalámbrica Bluetooth, comprueban
su funcionalidad. Este sistema añade la posibilidad de remitir mensajes al
usuario con base en las mediciones efectuadas.
Por otro lado, frente a Bluetooth, el protocolo ESP-NOW
demuestra tener un mayor alcance, conforme a las mediciones efectuadas hasta de
345 m, permitiendo que los nodos sensores puedan desplegarse a una mayor
distancia del nodo central a fin de disminuir la cantidad de dispositivos
instalados.
La investigación se limita al monitoreo y
control de los parámetros estudiados, quedando como una futura línea de
trabajo, la revisión de la exactitud de los datos medidos a través de
procedimientos de calibración, considerando que el DHT22 establece una
precisión de valores de temperatura y humedad
de ± 0,5 °C y ± 1 %, habiéndose reportado rangos menores de temperatura por
Ahmad et al. (2021) con una exactitud de ± 0,1 °C y errores mayores de humedad
relativa por Koestoer et al. (2019) que fluctúan entre 10 % y 19 % en climas
tropicales.
Finalmente, también es importante
establecer si los parámetros controlados mejoran la eficiencia del cultivo o la
forma en que influyen en su productividad independiente del tipo de cultivo.
6. Conclusiones
En la actualidad,
se están incorporando tecnologías modernas a la agricultura a fin de evitar el
uso indiscriminado del recurso hídrico e incrementar la productividad en
espacios reducidos denominado Agricultura 4.0. En esa línea, se presenta el
diseño de un sistema de Internet de las Cosas (IoT) que permite el monitoreo y
control de cultivos de hortalizas en invernaderos tradicionales. Para tal fin,
se utiliza la tarjeta de aplicación ESP32 Dev-Kit-C y los sensores DHT22,
HW-080 y HC-SR04. A través de una red inalámbrica tipo estrella, los nodos
sensores recogen información de temperatura, humedad relativa del ambiente,
humedad del suelo y nivel de líquido, y la envían a un nodo central utilizando
el protocolo de comunicación ESP-NOW, el cual registra la información en una
base de datos mediante una aplicación móvil incorporada que permite monitorear
en tiempo real y accionar actuadores de forma manual.
7. Referencias Bibliográficas
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