Investigación y desarrollo de un sistema de riego inteligente para explotaciones agrícolas basado en IoT, LoRa y cómputo en el borde
Autores: Zhang, Ying; Wang, Xingchen; Jin, Liyong; Ni, Jun; Zhu, Yan; Cao, Weixing; Jiang, Xiaoping
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Investigación y desarrollo de un sistema de riego inteligente para explotaciones agrícolas basado en IoT, LoRa y cómputo en el borde
Categoría
Ciencias Agrícolas y Biológicas
Subcategoría
Agronomía y Ciencia de los Cultivos
Palabras clave
Problemas en la irrigación inteligente
Computación en el borde
Tecnología de comunicación LoRa
Arquitectura de IoT
Humedad del suelo
Control remoto de riego
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 25
Citaciones: Sin citaciones
En respuesta a los problemas clave actuales en el campo de la irrigación inteligente para tierras de cultivo, como la falta de fuentes de datos e integración insuficiente, un bajo grado de automatización en la ejecución y control de la conducción, y la excesiva dependencia de plataformas en la nube para analizar y calcular procesos de toma de decisiones, hemos desarrollado nodos y pasarelas para la irrigación inteligente. Estos desarrollos se basan en la arquitectura de IoT de computación en el borde EC-IOT y la tecnología de comunicación de radio de largo alcance (LoRa), utilizando MCU STM32, módulos LoRa de baja potencia WH-101-L, módulos 4G, GPS de alta precisión y otros dispositivos. Se ha establecido un modelo de análisis y decisión de computación en el borde para la irrigación inteligente en tierras de cultivo mediante la recopilación de la humedad del suelo y la información meteorológica en tiempo real en tierras de cultivo de manera distribuida, así como la integración del período de crecimiento de cultivos y propiedades del suelo de parcelas de campo. Además, se ha desarrollado un mini-programa móvil utilizando Herramientas de Desarrollo de WeChat que interactúa con la nube a través del protocolo de transporte de telemetría de cola de mensajes (MQTT) para lograr la visualización de datos en el móvil y en la web y el control remoto preciso de la irrigación de válvulas solenoides. Los resultados de las pruebas de comunicación inalámbrica del sistema indican que la red de sensores basada en LoRa tiene una transmisión de datos estable con una distancia de comunicación máxima de hasta 4 km. A tasas de comunicación más bajas, la relación señal-ruido (SNR) y las indicaciones de fuerza de señal recibida (RSSI) medidas a largas distancias son relativamente más altas, lo que indica una mejor calidad de señal de comunicación, pero tardan más en transmitirse. Se tarda 6 s en transmitir 100 bytes a la velocidad más baja de 0,268 kbps a una distancia de 4 km, mientras que a 10,937 kbps, solo se tarda 0,9 s. Los resultados de los ensayos de irrigación de campo durante la etapa de llenado de granos de trigo han demostrado que la cantidad de irrigación determinada según el algoritmo de irrigación puede mantener el contenido de humedad del suelo después de la irrigación dentro del rango adecuado para el crecimiento del trigo y por encima del 90% del límite superior del rango adecuado, logrando así un efecto de irrigación satisfactorio. Es notable que el contenido de agua en la capa de suelo de 40 cm tiene la correlación más fuerte con los cambios en la evapotranspiración de los cultivos, y la temperatura más alta es el factor más crítico que influye en los requerimientos de agua del trigo durante el período de llenado de granos en el área de prueba.
Descripción
En respuesta a los problemas clave actuales en el campo de la irrigación inteligente para tierras de cultivo, como la falta de fuentes de datos e integración insuficiente, un bajo grado de automatización en la ejecución y control de la conducción, y la excesiva dependencia de plataformas en la nube para analizar y calcular procesos de toma de decisiones, hemos desarrollado nodos y pasarelas para la irrigación inteligente. Estos desarrollos se basan en la arquitectura de IoT de computación en el borde EC-IOT y la tecnología de comunicación de radio de largo alcance (LoRa), utilizando MCU STM32, módulos LoRa de baja potencia WH-101-L, módulos 4G, GPS de alta precisión y otros dispositivos. Se ha establecido un modelo de análisis y decisión de computación en el borde para la irrigación inteligente en tierras de cultivo mediante la recopilación de la humedad del suelo y la información meteorológica en tiempo real en tierras de cultivo de manera distribuida, así como la integración del período de crecimiento de cultivos y propiedades del suelo de parcelas de campo. Además, se ha desarrollado un mini-programa móvil utilizando Herramientas de Desarrollo de WeChat que interactúa con la nube a través del protocolo de transporte de telemetría de cola de mensajes (MQTT) para lograr la visualización de datos en el móvil y en la web y el control remoto preciso de la irrigación de válvulas solenoides. Los resultados de las pruebas de comunicación inalámbrica del sistema indican que la red de sensores basada en LoRa tiene una transmisión de datos estable con una distancia de comunicación máxima de hasta 4 km. A tasas de comunicación más bajas, la relación señal-ruido (SNR) y las indicaciones de fuerza de señal recibida (RSSI) medidas a largas distancias son relativamente más altas, lo que indica una mejor calidad de señal de comunicación, pero tardan más en transmitirse. Se tarda 6 s en transmitir 100 bytes a la velocidad más baja de 0,268 kbps a una distancia de 4 km, mientras que a 10,937 kbps, solo se tarda 0,9 s. Los resultados de los ensayos de irrigación de campo durante la etapa de llenado de granos de trigo han demostrado que la cantidad de irrigación determinada según el algoritmo de irrigación puede mantener el contenido de humedad del suelo después de la irrigación dentro del rango adecuado para el crecimiento del trigo y por encima del 90% del límite superior del rango adecuado, logrando así un efecto de irrigación satisfactorio. Es notable que el contenido de agua en la capa de suelo de 40 cm tiene la correlación más fuerte con los cambios en la evapotranspiración de los cultivos, y la temperatura más alta es el factor más crítico que influye en los requerimientos de agua del trigo durante el período de llenado de granos en el área de prueba.