Una plataforma de internet de las cosas ayuda a los productores brasileños a planificar el uso del agua

Es una solución desarrollada por una startup con el apoyo de la FAPESP, y apunta a aportarles previsibilidad a los agricultores con relación a las reservas hídricas disponibles en la cuenca que utilizan en un horizonte de seis meses.

Por Lucia Reggiani  |  Agência FAPESP – ¿Cómo hacer un uso inteligente del agua en la irrigación de los cultivos sin saber si las reservas disponibles ofrecen el volumen necesario? ¿Y el régimen de lluvias, dará cuenta de la captación esperada? ¿La cantidad de agua utilizada se adecua a la autorización de los organismos de control de los recursos hídricos? Las respuestas a éstos y otros interrogantes de los productores rurales y de la industria constituyen el objetivo de un proyecto desarrollado en la ciudad de Campinas (en el estado de São Paulo, Brasil) por la empresa Espectro con el apoyo del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP.

El referido proyecto, que se puso en marcha en diciembre de 2022, apunta a aportarles a los productores previsibilidad con respecto a las existencias hídricas disponibles en la cuenca que utilizan en un horizonte de seis meses. De esta forma, logran programarse e invertir en reservas de agua, modificando los cultivos que planean plantar o tomando otro tipo de decisiones.

En tiempos de cambios climáticos, con alteraciones en la dinámica de las lluvias, la previsibilidad que se busca en el marco de este proyecto apunta a ayudar a los productores a mantener la calidad de la producción aun en caso de crisis hídrica, como la que sucedió en el estado de São Paulo en 2021 y que llevó a ciertos municipios a cerrar las bombas de riego y a orientar la captación de agua hacia el consumo humano.

En el PIPE Etapa II, Espectro propuso realizar un estudio de los regímenes pluviales en algunas cuencas seleccionadas, utilizar información de pronósticos del tiempo de diversos organismos, desde los oficiales hasta los de las imágenes de satélites, analizar el historial de la evolución de las reservas hídricas y crear un algoritmo de inteligencia artificial (IA) para suministrarle al irrigador la dinámica del reservorio en donde capta el agua.

El proyecto, denominado PalmaFlex UmiSolo-Total, es el módulo que completa la plataforma de internet de las cosas (IoT) PalmaFlex UmiSolo, que se puso en actividad en el año 2019 con el monitoreo en tiempo real del agua disponible en el suelo y con recomendaciones de riego.

En el módulo inicial, sensores instalados en el suelo a diversas profundidades captan información a una cadencia que el cliente determina y la transmiten a un banco de datos en la nube, donde se la convierte en datos de humedad del suelo estratificada. La plataforma web correlaciona estos datos con otra información y exhibe los resultados en forma de gráficos, tablas y alarmas, de manera tal de simplificar y brindar apoyo al trabajo de los productores, de los agrónomos y de otras personas que toman parte en el trabajo del campo.

Una solución completa de comunicación de datos

El sistema nació de la intención de los ingenieros electricistas Adilson Chinatto y Cynthia Junqueira, socios de Espectro, de desarrollar un producto propio que reflejase su experiencia en transmisión de señales y telemetría, y que catapultase a la empresa a un peldaño situado más allá de la consultoría, la investigación y el desarrollo, el área en la que opera desde hace 20 años.

La idea era crear una solución completa de comunicación de datos, modular, de fácil escalar, para diversas aplicaciones en la agricultura y en la industria, con un núcleo común. Su misión: suplir las necesidades de monitoreo y comunicación de datos en el campo.

La intención se materializó en la plataforma PalmaFlex, representada en el logotipo por el nopal de la cochinilla o tunita, un cactus cuya mayor riqueza reside en su versatilidad, que revela un alto nivel acuoso y de nutrientes esenciales, y que se emplea fundamentalmente en la alimentación del ganado. Su núcleo común está compuesto por un receptor y un transmisor de señales vía radiofrecuencia, capaz de establecer un enlace de larga distancia y de bajo costo para conectar diversos dispositivos, especialmente sensores.

En el módulo de medición de la humedad del suelo, los sensores instalados envían la información a un colector de datos alimentado con una batería interna y energía solar. El colector transmite la información a la nube, en donde se efectúan todos los cálculos y los resultados aparecen en el sitio web de la plataforma vía celular, tablet o computadora.

Todo el conjunto –hardware, software y protocolos de comunicación– se desarrolló en Espectro. “En las áreas urbanas, las redes de datos se encuentran disponibles tanto en los celulares como para IoT específicamente, como LoRa, Sigfox y ZigBee; pero esas redes no llegan al campo pues no resultan interesantes económicamente para las grandes empresas”, afirma Adilson Chinatto. De allí la opción por la producción vertical.

Espectro desarrolló entonces un concentrador o gateway basado en LoRa valiéndose de las mismas premisas de los grandes equipos metropolitanos, pero en un dispositivo pequeño, capaz de cubrir 3.000 hectáreas, la dimensión de la propiedad de un mediano productor. El propio usuario instala el concentrador en su red de datos (wifi o vía cable) y conecta la antena en la azotea de la casa.

En tanto, el colector de datos se instala en el campo junto con los sensores, y de tiempo en tiempo el mismo transmite la información en forma autónoma. “En la agricultura, la tasa de envío de datos no necesita ser muy alta: cada cinco minutos es más que suficiente. En la industria logramos enviar a intervalos menores”, explica Chinatto.

El costo de esta cobertura es de menos de un real por hectárea: “es muy bajo con relación a otros sistemas existentes”, dice Junqueira, amén de que aporta una disminución de las verificaciones y las anotaciones, ahorro de insumos, de agua y de energía en diversas aplicaciones y un aumento del beneficio final del productor o del industrial.

Más módulos

La evolución del sistema ocurrió a causa de la demanda de los clientes, quienes además del monitoreo del suelo, aspiraban a tener acceso a una estación agrometeorológica para monitorear los vientos, la lluvia, la radiación solar y otros factores climáticos. Por eso Espectro le añadió sensores aéreos a su plataforma, aumentando así la gama de información que suministra a sus clientes, tales como la evapotranspiración diaria y ventanas de oportunidades para la fumigación.

Más adelante, el sistema pasó a monitorear otros apartados de la infraestructura de las propiedades rurales, tales como las corrientes eléctricas de los motores y las bombas, por ejemplo. “Es común que los productores enciendan las bombas de riego por las noches, cuando la energía eléctrica es más barata, que constaten entonces que una fase no está funcionando y no poder contar con el equipo de mantenimiento para reconectarla, pues el mismo no se encuentra en su horario de trabajo”, explica Junqueira.

Preparada para esos eventos, PalmaFlex dispara una alerta que informa que la fase cayó, con lo cual le brinda al productor la posibilidad de implementar acciones de emergencia, resolver el problema o compensarlo al día siguiente. En tanto, en los pozos artesianos y semiartesianos se pueden monitorear tanto el caudal como sus niveles estático y dinámico, con lo cual opera como una herramienta de prevención con relación a la quema de la bomba y disminuyendo la cantidad de mantenimientos periódicos necesarios.

La plataforma es completamente personalizable para contemplar las demandas de las distintas realidades de los productores rurales. Si se toma como ejemplo su aplicación en irrigación para personalizar el monitoreo, el cliente suministra la información referente a los métodos y los equipos que utiliza, los datos relacionados con el cultivo, tales como el tipo y la fecha de siembra, entre otros, y datos texturales del suelo. En la plataforma, esta información es correlacionada con los datos de los sensores instalados en el campo para calcular cuándo y en qué cantidad regar. El software de business intelligence (BI) de la plataforma exhibe los resultados en tablas y gráficos, y el usuario puede exportarlos a planillas. La información queda almacenada en el banco de datos durante un año.

En la actualidad, la plataforma cuenta con los módulos Agricultura, Confort Animal y Calidad del Agua, Industria y Pronóstico de Reservas. Este último, en parte desarrollado en el marco del proyecto PIPE, ya está funcionando parcialmente y se comercializa en la plataforma. “El módulo desarrollado monitorea el nivel de las reservas de agua o vinaza, el residuo que se genera durante la producción del alcohol y el azúcar. Instalamos recientemente diez sistemas en una central de caña de azúcar del estado de São Paulo para monitorear diez tanques de vinaza”, dice Junqueira.

En ese módulo, el sensor no toca el líquido, sino que mide el nivel y calcula el volumen con base en las dimensiones del estanque que el usuario suministra. Al medir el volumen de vinaza, el sistema permite que el operador evite derramarla en el suelo, lo que le acarrearía un problema ambiental y una multa. Asimismo, la plataforma hace posible una mayor racionalidad en el uso de la vinaza en fertirrigación, al disminuir sus costos y asegurar una operación acorde con las normas ambientales.

Como el módulo desarrollado en el proyecto PIPE reúne todo lo que hace la plataforma, lo que incluye nuevas monitorizaciones y nuevos pronósticos, Espectro denomina a este conjunto ecosistema PalmaFlex Total.

Nuevos sensores

Aparte del módulo de Pronóstico de Reservas, una segunda vertiente del proyecto PIPE en curso consiste en el desarrollo de sensores más sencillos y precisos. Uno de ellos es el sensor de nivel del reservorio. Aparte de su aplicación en tanques de vinaza, se instalaron varios en reservas estratégicos para el seguimiento y el recabado de datos con miras a alimentar los algoritmos de inteligencia artificial que la empresa está desarrollando.

Otro aparato, en fase final de desarrollo y ensayos en laboratorio, es un nuevo sensor de humedad del suelo que permitirá recabar datos a varias profundidades utilizando tan solo una pértiga. Puede funcionar con el actual colector de datos de cinco puertos o transmitir la información vía radiofrecuencia con el protocolo PalmaFlex en forma autónoma.

La diferencia de este proyecto, según los socios de Espectro, radica en la integración de módulos de detección local y remota y los algoritmos de pronóstico climático para el cálculo y la estimación futura del balance hídrico y la oferta de agua en toda una cuenca hidrográfica que alimente sistemas de riego. La empresa posee experiencia en el mapeo del balance hídrico local con el apoyo de sensores de suelo y climáticos, merced a los módulos destinados a la agricultura que comercializa.

“Estimamos la profundidad de las raíces que absorben el agua del suelo, y con esa información y la lectura del sensor, alimentamos el panel de alertas, que informa qué cantidad de agua se encuentra disponible y muestra la evolución del almacenamiento diario de agua”, dice Chinatto. De la misma manera, la empresa opera en el suministro de información climática para la fumigación, tanto en términos de temperatura, humedad relativa y velocidad del viento como en delta T, una información importante para los agrónomos que indica las condiciones propias o impropias para la actividad.

El reto planteado en el proyecto PIPE consiste en perfeccionar estas técnicas para que pasen a generar información regionalizada en lugar de localizada. Para ello es necesario trabajar en un ambiente multiplataforma y con integración de sensores, fusión de datos, modelado y elaboración de algoritmos de aprendizaje de automático e inteligencia artificial.

Un equipo de alto nivel

Las misiones complejas requieren de cerebros que se ubiquen a su altura para plasmarlas. “Fue difícil encontrar a las personas adecuadas, pero logramos atraer al proyecto a dos doctorandos de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Unicamp [Universidad de Campinas]: Marcos Ricardo Covre y Douglas Henrique Siqueira Abreu”, comenta Junqueira.

Los investigadores trabajan en la elaboración de algoritmos, en las pruebas y en la validación. Covre analiza los trabajos teóricos y prácticos existentes, y mantiene contacto con investigadores de la estatal Embrapa Cerrados –una de las unidades descentralizadas de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) orientada a la investigación de tecnologías con la mira puesta en la sostenibilidad del bioma de sabana de Brasil–, por ejemplo, que realizaron un relevamiento profundo de la dinámica de los reservorios que se utilizan en la irrigación en distintas regiones. Y Siqueira Abreu se dedica a la correlación de los bancos de datos disponibles para viabilizar el suministro de información a quienes irrigan.

Asimismo, Covre trabaja en el modelado matemático del balance hídrico, una forma de contabilizar las entradas y las salidas de agua de un depósito natural. “Una parte del desafío consiste en descubrir la forma del estanque para medir el volumen de agua que contiene y así efectuar la predicción para un horizonte de seis meses”, dice. 

¿Y cómo descubrir el formato y la profundidad sin estar en el lugar? Éste es el reto de Siqueira Abreu, quien trabaja en la captación de datos vía imágenes satelitales y otras informaciones. Al aunar análisis estadístico, definición de precipitaciones y un modelo de inteligencia artificial, la intención es arribar a un pronóstico futuro de posibles áreas de lago. “La idea es contar con un algoritmo más generalista, que logre trabajar con cualquier lago”, dice Siqueira Abreu.

Si bien existen más modelos por trabajarse, y hay más datos por recabarse y más lagos por medirse para ampliar la generalidad del modelo y obtener un buen producto con inteligencia artificial, el modelo actual, según Chinatto, ya acierta alrededor del 80 % de las variaciones.

Aparte de Covre y Siqueira Abreu, financiados por la FAPESP, el proyecto cuenta con el trabajo del ingeniero Fernando Ikedo, becario de marketing con sostén de la organización sin fines de lucro Servicio Brasileño de Apoyo a las Micro y Pequeñas Empresas de São Paulo (Sebrae), que brinda apoyo al área comercial. Durante su primer año, el proyecto también contó con la participación de un ingeniero agrónomo, José Matheus de Britto, quien colaboró en los análisis agronómicos y en las especificaciones de ensayos del nuevo sensor de suelos.

Para los socios de Espectro, sin esos apoyos no sería posible desarrollar PalmaFlex Total. “Sin la FAPESP, no tendríamos acceso a la colaboración de profesionales con el bagaje que le aportan a la empresa. Es gracias a ellos que el proyecto puede desarrollarse bien”, dice Chinatto.

El objetivo es sacar PalmaFlex Total al mercado a finales de 2025, con la información relacionada con las autorizaciones de los organismos estaduales para el uso de agua en la irrigación y la disponibilidad hídrica incluidas.

* Imagen de Fernando Augusto en Pixabay