Sistema de Bajo Coste Basado en Bobinas para la Monitorización de la Humedad del Suelo en Entornos Agrícolas. Diseño y Desarrollo de una Mota Sensora y Red de Datos

Abstract

En el presente documento se expone una solución de un sensor bajo coste para la optimización del riego de suelos agrícolas basado en la inducción mutua entre bobinas para la medición de la humedad porcentual del suelo a diferentes niveles de profundidad en tiempo real, así desde la super cie hasta las raíces del cultivo. Después de realizar un estudio del mercado en el ámbito de los sensores de humedad del suelo se ha concluido con la escasa e ciencia y durabilidad de ciertos modelos mientras otros que proporcionan una mejor solución elevan mucho el coste de adquisición e implementación de una red sensórica para tal fin. Es por ello por lo que, partiendo de la base electromagnética comprendida a lo largo del Grado de Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación y la correspondiente investigación de este fenómeno, se ha llevado a cabo una experimentación comparando los diferentes prototipos de inductancias y la orientación y relación entre ellas. El principal objetivo de ello ha sido encontrar una combinación óptima que permita obtener el nivel de humedad de la forma más lineal posible y con un nivel de tensión lo su ficientemente elevado para su lectura por un microcontrolador, todo ello con el menor consumo de potencia posible para su mayor autonomía. Esto se ha logrado con un modelo de dos bobinas formadas por hilo de cobre con un calibre de 0.4mm enrollado en una relación 1:1 de 40 espiras cada una y operando a una frecuencia de 210kHz. Adicionalmente, se ha desarrollado el esquema electrónico basado en el circuito integrado 555 para convertir la señal DC de una pila o batería a una señal AC de mayor voltaje para la alimentación del circuito encargado de la lectura de los datos de humedad y el correspondiente sistema telemático basado en la tecnología inalámbrica IoT de LoRaWAN mediante un microcontrolador ESP32-LoRa, que permite la recepción de dichos datos y su posterior procesamiento mediante la solución open-source de ChirpStack para lograr controlar de forma centralizada el riego del cultivo y monitorización con la integración de InfluxDB y Grafana, optimizando as tanto el coste del consumo de agua como el coste asociado a la implementación de tal sistema.

This document presents a solution of a low-cost sensor for optimizing agricultural soil irrigation based on mutual induction between coils for the percentual measurement of soil moisture at different depth levels in real-time, from the surface to the crop roots. After carrying out a research on the soil moisture sensors market, it concluded with the poor efficiency and durability of certain models, while others that provide a better solution greatly increase the cost of acquiring and implementing a sensor network for such objective. That is why, based on the electromagnetic basis included throughout the Degree in Telecommunications Technologies Engineering and the corresponding investigation of this phenomenon, an experimentation has been carried out comparing the different prototypes of inductances and the orientation and relationship between them. The main purpose of this is to find an optimal combination that allows obtaining the humidity level in the most linear way as possible and with a voltage level high enough to be read by a microcontroller, always trying to achieve the lowest power consumption for a greater autonomy. This has been achieved with a model of two coils formed by copper wire with a 0.4mm caliber wound in a 1:1 ratio of 40 turns each and operating at a frequency of 210kHz. Additionally, the electronic scheme based on the 555 integrated circuit has been developed to convert the DC signal from a solar cell or battery to a higher AC voltage signal to supply the circuit responsible for reading the moisture data and the corresponding telematic system based on LoRaWAN’s IoT wireless technology using an ESP32 LoRa microcontroller, which will allow the reception of the data and its subsequent processing using the open-source solution of ChirpStack to achieve centralized control irrigation of the crop and its monitoring by the InfluxDB and Grafana integration, thus optimizing both the cost of water consumption and the cost associated with the implementation of such a system.