APLICACION DE LA ELECTRÓNICA AVANZADA EN … · físicos del ambiente y de la situación...

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APLICACION DE LAELECTRÓNICA AVANZADA EN

TRACTORES Y MÁQUINASAGRÍCOLAS

Parte 4.- Los componentes tecnológicos básicos

` ^y II ^

PROF FaeR^zio MazzerroInstituto de Ingeniería Agraria

Universidad de Milán

1 Introducción

Los componentes de un sis-tema de Agricultura de Precisiónpueden incluir tecnologías mecá-nicas, electrónicas e informáti-cas, hardware y software, de di-versa complejidad. Las modali-dades con que se completandentro del sistema dependen:

• Del conjunto de los objetivos

que el sistema se propone sa-tisfacer.

• De las soluciones de intercam-bio entre ellos y los componen-tes de los sistemas operativosy de manejo de la información.

Contrariamente a los siste-mas de manejo de la informa-ción, en los que predominan lastecnologías informáticas IGIS,base de datos, paquetes de es-tadística y geo-estadística, etc.l,los sistemas operativos incluyen

tecnologías de diferente natura-

leza, que se instalan en las proxi-midades del centro direccional, o

bien a bordo de máquinas e ins-talaciones. Prevén varias formas

de organización e integración se-gún que sus funciones estén li-mitadas a la monitorización, o seextiendan al control operativo delos procesos de campo.

Un cuadro sinóptico de todasestas tecnologías utilizadas enlos sistemas de Agricultura dePrecisión se presenta en la Tabla1. En ella se distingue entre:

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TABLA 1.- COMPONENTES TECNOLÓGICOS DE BASE EN UN SISTEMA DE AGRICULTURA DE PRECISIÓN^

LAS ACTIVIDADES DE MONITORIZACIÓN SE DIFERENCIAN EN AMBIENTALES (AMBI), PRODUCTIVAS (PROD)Y OPERATIVAS (OPER). SE INCLUYEN LAS FUNCIONES DE CONTROL OPERATIVO (CTR).

^

^. i^• ^ ^^

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Sensores para la medida de los parámetros químicos yfísicos del ambiente y de la situación productiva

Sistemas de identificación

Dispositivos de detección próxima o remota (groundsensing o remote sensing)

Dispositivos actuadores para la regulación yautomatización del funcionamiento de la máquina o apero,incluidos los sitemas de dosificación variable de factores(VTR Variable Rate Technologies)

nnn

•

n

•

Dispositivo para el control del tránsito (Gate Detecting) •

B 6 Sistemas GPS

7 Sistemas DGPS

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^ 10

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D

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14

n

Ordenador portátil (con funciones tle recogida de datos) nn

Ordenador fijo

Redes de comunicación (Intranet local o Internet)

Sistemas de comunicación y transferencia tle datos (CANBus, transmisiones en radio frecuencia, solucioneswireless o bluetooh, etc.)

nn

n

nn

DBMS ( Database Management Sysfems) n n n

GIS (Geographical Information Systems) incluidosprocedimientos eventuales de soporte a la representacióny e elaboración tle datos cartográficos (geo-estadística,geo-referenciación, corrección de imagen)

Paquete de software multifuncional y para las aplicacionesespecíficas (estadísticas, análisis de costes, prescripcionesde abonado, análisis de imagen, diagnósticomultiespectral, etc.)

•) no previsto c) cultivosn ) no indispensable, aunque potencialmente útil g) ganaderían n) aconsejado, seguramente útiln n n ) necesario, extremadamente útil

• Tecnologías electrónicas debase, que realizan tanto la ad-quisición de datos (monitori-zación ŭ , como la informaciónen el contexto productivo(control operativo); son tec-nologías que generan y utili-zan la información, adminis-trando los datos en las fasesiniciales y finales de su ciclode vida.

nnn

nn

• Tecnologías de posicionamien-to, indispensables cuando elcontenido de la información de-be de ir asociado dentro de unsistema espacial de referencia.

• Tecnologías informáticas (hard-ware), para la gestión física delas informaciones, o bien parael tratamiento de los datos en

formado digital mediante so-portes físicos, que permite las

nnn nnn nnn

nn nnn n

nnn • n

• • nnn

•(c)nn (gl nn

n nnn

•

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nn nnn nnn

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nnn nnn n

nn nn •

funciones de grabación, visuali-zación, modificación y transmi-sión de los datos; incluyen to-das las tecnologías necesariaspara el cálculo, así como lossistemas de conexión entre or-denadoras mediante redes ysistemas de comunicación.

•Tecnologías informáticas (soft-ware), para la gestión semánti-ca de las informaciones, o bien

•

•

•

•

•

nn

nn

n

nnn

nnn

nnn

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para la catalogación y la elabo-ración de los datos por instru-mentos Iprogramas) que per-miten de interconectar las fun-ciones digitales del hardwarecon las formas de comunica-ción de los usuarios finales queson las personas.

I Tecnolo^íaselectrónicas

Se consideran tecnologíaselectrónicas todos los dispositivospara la adquisición de los datosdentro del sistema productivo so-metido a monitorización, y laseventualmente necesarias en acti-vidades de control operativo. Parasu clasificación es útil esquemati-zar la actividad productiva comouna secuencia más o menos arti-culada de acontecimientos, cadauno caracterizado por:• EI conjunto de las entidades

que resultan implicadas durantela ejecución del acontecimiento

(ejemplos: el tractor utilizado

durante la arada; el tractorista

que la ejecuta; los animales quese encuentran en sala de orde-ño; las hileras de una viña ataca-

das por un patógeno; el tipo defertilizante distribuido; la parcela

a la que hay que dar prioridad

en la recolección, etc.); la atribu-ción de valor a una entidad re-

quiere una operación de identifi-

cación.

• Una serie de parámetros físi-cos o químicos relativos a as-

pectos específicos del compor-tamiento de dichas entidades,

o de la manifestación de los fe-nómenos en su conjunto(ejemplos: el consumo de

Mapa del vigor de una viña, obtenido a partirde sensores ópticos montados sobre iracTOr.

combustible durante la arada;la producción diaria de leche deuna vaca; la intensidad de unamanifestación patológica enuna viña; la cantidad de fertili-zante distribuido; los tiemposde trabajo y las produccionesdurante la recolección etc.); laatribución de valor a un pará-metro requiere a una opera-ción de medida cuantificablede manera físicos o química.

• EI conjunto de las acciones ele-mentales que constituyen larealización efectiva del aconte-cimiento lejemplos: la aberturao el cierre de un acceso, la libe-ración de un elemento físicomediante una máquina accio-nada, etc.).

Según este esquema, sepueden establecer:• Sistemas de identificación,

adecuados para el reconoci-miento de una entidad implica-da en un dato acontecido.

• Sensores para los sistemas demedida, necesarios para cuan-tificar fenómenos físicos o quí-micos que caracterizan losacontecimientos.

• Actuadores para la automatiza-ción de sistemas de controloperativo y, como tales, ante-puestos a la ejecución automa-tizada de acciones individualeselementales dentro de un pro-ceso.

Las aplicaciones de monitori-zación de los sistemas de adqui-

sición de datos necesitan un or-denador con función de data-log-ger (recogida de datosl. Sólo sevan a producir 'entradas' proce-dentes de sensores o de siste-mas de identificación. En las apli-caciones de control operativo, encambio, se tienen sistemas de

automatización, por lo que se ne-cesita un dispositivo 'revisor',

ECU (Electronic Control Unit- mi-

croprocesador con memorias), oun ordenador real, que reciben

entradas de los sensores y envíaninformación a los actuadores, queactúan como periféricos.

Sistemas de' identificación

Para ello se necesita que ca-da unidad reconocible tengaasignado su respectivo código, ala vez que el sistema de recono-cimiento tenga capacidad paraadquirirlo. Una base de datospermite establecer, de manerabiunívoca, la entidad reconocidacon su código.

Los códigos pueden ser deltipo numérico o alfanumérico, ycada entidad puede transmitir supropio código de manera conti-nua, independientemente de quese lo soliciten, o bien por la proxi-midad de la unidad de reconoci-miento cuando esta se lo solicita.

Los sistemas de comunica-ción pueden ser ópticos o me-diante radiofrecuencia, en cuyo

caso no se necesita la visión di-

recta entre emisor y receptor.Las condiciones de limpieza y

polvo de los amientes agrícolas

limita la utilización de los siste-

mas ópticos. En las transmisio-nes de radio frecuencia se pue-

den establecer dos categorías,

según el equipo de transmisiónsea activo o pasivo. En el casode los sistemas activos, éstos se

suelen equipar con baterías de li-tio, mientras que en los pasivos

son las ondas electromagnéticasdel sistema receptor las que acti-

van las señales del emisor.

En los sistemas de radio fre-cuencia se utilizan los conocidoscomo transponder, término que

Imágenes monocromas de los índicesvegetación obtenidas a partir de la

monitorización (vegetación enferma: colorblanco).

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deriva de la fusión de las pala-bras inglesas transmitir y res-ponder. Con frecuencias diferen-tes permiten intercambiar infor-mación entre emisor y receptor.Los pasivos tienen limitado al-cance de emisión (menos de 1m), por lo que solo se utilizan enla identificación de animales. Losactivos permiten establecer co-municación a distancias de hasta10 m, y son similares a los quese utilizan para la apertura y cie-rre a distancia de puertas. Sehan desarrollado otros que per-miten la comunicación a distan-cias de más de 30 m, con inter-cambio bidireccional de informa-ción, pero su mayor coste, por elmomento, los hace poco utiliza-dos en la agricultura.

Los sistemas de comunica-ción por radio frecuencia más

sencillos son los que se están

utilizando para automatizar la

monitorización operativa de los

trabajos agrícolas, al detectar to-das las operaciones agrícolas

que realiza el tractor con los dife-

rentes tipos de máquinas, pararealizar un registro informáticode las mismas (cuaderno de

campo informatizadol.

^ Sensores y actuadores

Los sensores son dispositi-vos con capacidad para convertiruna magnitud física o química(temperatura, presión, pH, etc.)en una señal eléctrica, con unaproporcionalidad entre la magni-tud medida y la señal emitida.Esta señal eléctrica puede pasara un sistema de registro (monito-rizaciónl, o aun sistema de regu-lación y control (ECU). La señaleléctrica de tipo analógico habi-tualmente se convierte en digital(numérica) para entrar en el sis-tema de gestión.

Los actuadores son dispositi-vos que realizan una regulaciónautomática mediante accionesexternas elementales. Son gene-ralmente dispositivos hidráulicoso electro-hidráulicos dotados de

potencia suficiente para interve-nir sobre el equipo regulado enun tiempo prefijado, normalmen-te cuantificable en décimas desegundo. Su comportamientoestá programado por el micro-procesador que Ileva integrado.

Los sensores de aplicaciónagrícola han aumentado conside-rablemente y mejorado sus pres-taciones gracias a la investigaciónrealizada para mejorar el controlautomático del funcionamiento detractores y máquinas accionadas,

^ LOS SENSORES

SON DISPOSITIVOS CON

CAPACIDAD PARA

CONVERTIR UNA

MAGNITUD FÍSICA 0

QUÍMICA

(TEMPERATURA,

PRESIÓN, PH, ETC.) EN

UNA SEÑAL

ELÉCTRICA

como la detección de la cantidadmies que Ilega a la cosechadorapara modificar su velocidad deavance y otros parámetros de trillay limpia, o la regulación de la di-mensión del picado en función dela humedad del forraje, aunque to-davía hay problemas que obligan ala continua calibración de los sen-sores en función de las diferentescosechas sobre las que se actúa.

En relación con los actuado-

res, hay que recordar las tecnolo-gías a dosificación variable (VRT,

Uariable Rate Technologies), quepermiten modificar de manera

instantánea los elementos para ladistribución de fertilizantes sóli-

dos y líquidos. Los VRT derivande anteriores aparatos denomina-dos DPA (Caudal Proporcional al

Avance), desarrollados para ga-

rantizar la constancia de la dosisde abonado, o el volumen de apli-

cación de fitosanitarios, a partir

de la indicación del avance de lasruedas de la máquina. Los nuevosequipos, dotados de servo-con-

troles accionados por pequeñosmotores eléctricos paso-paso,

permiten la modulación del cau-dal de salida para ajustar la dosis

a los niveles establecidos y la mo-dulación casi continua en las dife-

rentes zonas de la parcela.

Sensores ópticos^ remotos

Para detectar la evolución delos cultivos resultan de gran utili-dad los sensores ópticos remotos(remote sensing) que permitenevaluar ópticamente el estado fi-siológico de las plantas basándo-se en la modificación de la radia-ción luminosa que provocan.

Los cambios de energía en-tre un individuo vegetal sano ysu entorno circundante depen-den del estado fitosanitario desus células. En estado de altera-ción metabólica de la planta, aigualdad de radiación solar inci-

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TABLA 2.- MEDIDAS REALIZADAS Y SENSORES UTILIZADOS HABITUALMENTE EN AGRICULTURA DE PRECISIÓN

^^.^ .^ ^ •^ ^. ^^ ^• •^ ^,

^̂̂Humedad del suelo • Radiación multiespectral reflejada • Óptica (teletletección aérea o mediante satélites)

^0 • Conductividad eléctrica • DieléctricaO • Reflexión de ondas de radio (1-1000 MHz) • Electromagnética (GPR: Ground Penetrating Radar)

^ Propietlades físicas del suelo • Resistencia a la penetración (índice de cono) • Mecánica o Magnética (penetrómetro manual o conU • Reflexión de ondas de ratlio (1-1000 MHz) célula tle carga

^ • Emisión de infrarrojo • Electromagnética (GPR: Ground Penetrating Radar)^ A

B

Configuración superficial delterreno

Contenido de materia orgánicaen el suelo

Presencia de plagas

Cantidad de biomasa del cultivo

igor y estado fitosanitario delcultivo

F•lujo de grano (recolección)

• Reflexión de ondas de radio o electromagnética

• Radiación multiespectral reflejada

• Ratliación multiespectral reflejada• Radiación visible

• Desviación en la posición tlel péndulo• Distancia entre líneas (frutales y viña)• Radiación multiespectral reflejada

• Radiación multiespectral reflejatla

• Cautlal en términos de masa o de volumen

• Óptica (sensor NIR)

• Electromagnética (ratlar o Scan Lasertle detecciónaérea)

• Óptica (detección aérea o mediante satélite)

• Óptica (detección con sensores a bordo de lasmáquinas agrícolas, cálculo del íntlice multiespectral)

• Óptica (sensores fotoeléctricos)

• Mecánica o Magnéiica• Acúsiica (sensores de ultrasonido)• Óptica (teletletección mediante satélite, medios aéreos

o sensores situados sobre las máquinas agrícolas

• Óptica (teledetección mediante satélite, medios aéreoso sensores situados sobre las máquinas agrícolas;cálculo del índice de vegetación

• Magnética (paletas móviles con células de carga• Magnética (paletas móviles con células tle carga• Óptica (sensores con fotocélulas)

C

Humedad del grano

Control proteico de la biomasa

Tractor o máquinaautopropulsatla

Tractor o máquinaautopropulsatla

Tractor o máquinaautopropulsatla

Máquina agrícola

Máquina para la distribución delíquidos

Maquina para la distribución desólidos

Concentración de solucionesdistribuidas

• Variación de la conductividad• Emisión tlel infrarrojo

• Emisión del infrarrojo

• Velocidad de avance

• Régimen de rotación del motor

• Temperatura de los gases tle escape (proporcional a lacarga tlel motor)

• Tiempo tle funcionamiento

• Caudal en volumen

• Caudal en masa

• Contluctividad eléctrica

• Electromagnética (sensores con rayos gamma)

• Dieléctrica (sensores capacitivos)• Ópiica (sensores NIR)

• Óptica (sensores NIR)

• Magnética (sensores con efecto Hall)• Electromagnética (radar poppler)

• Magnética (sensores con efecto Hall o medianteinducción)

• Resistiva (termoresistencia o termopar)

• Reloj (del receptor GPS o cualquier otro disponible)

• Magnética (sensores de inducción o con turbina)

• Magnética (célula de carga)

• Dielécirica

(A: monitoreo ambiental; B: monitoreo del cultivo; C: monitoreo y control operativo)

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Fig. 5. Monitorizacfón cultural en viña con sensores ópticossituados en puntos clave

dente, se observa una sensible disminución de la re-flectancia en el infrarrojo próximo, acompañado deun aumento del calor emitido, o de un incrementode reflectancia en las bandas espectrales del verde yel rojo.

Estas propiedades se pueden utilizar para valorarel estado fisiológico de la vegetación, y eso resultade gran interés por las aplicaciones prácticas en agri-cultura, también en virtud de algunas característicaspeculiares de los sensoriales ópticos, ya que puedenrepetirse las medidas sin interferir con el normal de-sarrollo de los cultivos, no necesitan un contacto di-recto y realizarse a distancia, y se pueden hacer demanera rápida desde un vehículo en movimiento.

Tradicionalmente se han utilizado cámaras foto-gráticas multiespectrales complejas y caras, situa-das a bordo de aviones que, periódicamente y bajo

demanda, efectúan un reconocimiento del territoriodeseado. En alternativa, también es posible recurrir

a imágenes de satélite con diferente resolución ycoste. Esto lo han puesto en práctica para sus secto-res vitícolas estadounidenses y australianos, que altrabajar a gran escala pueden reducir los costes de

la tecnología utilizada.Para abaratar los costes de obtención de esta in-

formación, en diferentes países europeos, se están

utilizando sensores ópticos terrestres situados so-bre máquinas agrícolas que realizan los procesosnormales de campo, o en puntos fijos representati-vos de la plantación sobre los que se realicen lectu-

ras programadas en el tiempo. Todavía hay que resol-ver algunos problemas como el de integrar y correla-cionar el nivel informativo de los dos sistemas demonitorización.

Como ejemplo, en la Fig. 5, se muestran dosimágenes monocromas de parte de una viña someti-da a monitorización, relativas a las bandas tanto delrojo (RED) como del vecino infrarrojo (NIR). Esta pa-reja de imágenes ha sido registrada en las primerashoras de la mañana, en condiciones de iluminaciónlateral. EI área corresponde una zona de 4 m de ve-getación sobre dos hileras, previamente identificadacomo 'punto espía' representativo de las condicio-nes de la viña. n

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