Sistema automatizado de riego, agricultura inteligente con tableros Nucleo y @Sigfox

Como parte de nuestra preparación para la ST Developers Conference 2018, lanzamos una nueva serie en el blog titulada ST Technologies in Universities.

Comenzamos con un curso del profesor Zhu sobre sistemas integrados STM32 en un lenguaje ensamblador que mostró cómo este paradigma de bajo nivel podría ser el arma secreta de los ingenieros que trabajan en Aprendizaje automático. Hoy, queremos centrarnos en un sistema de riego automatizado para los estudiantes que se gradúan de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Cornell. Al igual que en los proyectos finales de SensorTile bajo la supervisión del profesor William Kaiser en UCLA, este sistema de riego inteligente, bajo la guía del profesor Joseph Skovira, tiene como objetivo brindar a los futuros profesionales la experiencia y el conocimiento para enfrentar los desafíos del mañana. También nos gustaría felicitar a Boyi Xu y Brian Gross, ambos estudiantes de Maestría en Ingeniería, que lideraron los esfuerzos en este innovador sistema de riego inteligente.

Según el Banco Mundial, la Agricultura Climáticamente Inteligente (CSA) es “un enfoque integrado para la gestión de paisajes (tierras de cultivo, ganado, bosques y pesca) que aborda los desafíos interrelacionados de la seguridad alimentaria y el cambio climático”. Para 2050, el mundo la necesidad de producir 70% más de alimentos para sostener a los 9 mil millones de personas que vivirán en nuestro planeta, pero exigirá un “cambio importante en la forma en que se gestionan el agua, el suelo, los nutrientes y otros recursos agrícolas”, según la Agencia Internacional de Energía Atómica. Las universidades líderes, como Cornell, se encargan de preparar a sus estudiantes para comprender y crear las tecnologías que administrarán mejor estos recursos para dar forma a las sociedades del mañana.

Desde Cornell hacia adelante

A primera vista, el diseño es engañosamente simple, pero una inmersión más profunda revela su ingenio. Un dispositivo maestro envía comandos a uno o más dispositivos esclavos para que cada uno controle una válvula de línea de goteo a lo largo del sistema de riego. De este modo, esta red puede comenzar automáticamente a regar un campo en un momento determinado, detectar e informar fugas, o integrar rápidamente nuevas válvulas en la red para facilitar la expansión del sistema de riego. Tanto el maestro como los esclavos están utilizando un NUCLEO-L152RE como base y la placa de expansión STEVAL-FKI915V1, que incluye un módulo S2-LP para aprovechar la red Sigfox. Esta pila se conecta a un circuito de control de válvula externo, una válvula solenoide y un sensor de flujo de agua.

Por lo tanto, la primera proeza de este proyecto reside en su tremenda rentabilidad. Los sistemas de riego tienden a ser extremadamente caros, con algunos modelos que cuestan $ 100,000. Sin embargo, al usar productos de ST, los estudiantes pudieron concebir un dispositivo mucho más asequible que cuesta menos de $ 100 por unidad, para llegar potencialmente a fincas pequeñas y medianas. La segunda ventaja importante es su pequeño tamaño, que lo hace razonablemente fácil de implementar y administrar. Los esclavos pueden funcionar con baterías en el campo y los recintos pequeños pueden protegerlos de los elementos, lo que hace que la instalación sea mucho más práctica, especialmente para los agricultores con inversiones más modestas en tecnologías. Este es probablemente uno de los aspectos más subestimados del proyecto, ya que su facilidad de implementación abre la puerta a grandes aplicaciones en países en desarrollo que necesitan CSA para reducir el desperdicio y aumentar drásticamente la eficiencia.

Los inicios del sistema de riego automatizado.
Al hablar de la génesis del proyecto de culminación de riego automatizado, el profesor Skovira explicó que:

“Desde muy temprano, los productos Nucleo y STEVAL encajaron bien con lo que intentábamos lograr y nosotros [las personas que participamos en este proyecto] queremos agradecer a ST por enviarnos dispositivos que nos ayudaron a comenzar y ver qué era posible. También comenzamos simplemente usando una tecnología de radio básica disponible con las placas de expansión ST para establecer una red de igual a igual, y ahora estamos expandiendo ese sistema para usar la red Sigfox a medida que comenzamos a instalar estos prototipos en el campo “

Los estudiantes de Cornell utilizaron rápidamente la radio al experimentar con el STSW-S2LP-DK, un kit de desarrollo que ofrece una interfaz de usuario gráfica para aumentar la accesibilidad del módulo S2-LP presente en la placa de expansión STEVAL-FKI915V1. El uso de los ejemplos de aplicación de este kit de desarrollo también facilitó la creación de una red simple para conocer las capacidades del hardware.

Los estudiantes empezaron a usar el código fuente de la aplicación de ejemplo, luego lo desarrollaron para satisfacer sus necesidades. Por ejemplo, utilizaron STM32CubeMX para configurar el microcontrolador del NUCLEO-L152RE para inicializar funciones adicionales e ir más allá del conjunto de características original. También utilizaron el depurador presente en el tablero Nucleo para verificar los registros y encontrar errores más rápidamente, lo que les ayudó a resolver algunos de los problemas que surgieron a medida que se basaban en el código.

Sigfox: Deja que los datos y el agua fluyan

El profesor Joseph Skovira también profundizó en la decisión de utilizar la red de área amplia de baja potencia de Sigfox (LPWAN) para conectar los dispositivos maestro y esclavo. La escuela había utilizado una red de subgiguertes personalizada para otros proyectos y los estudiantes sabían que tenían múltiples opciones, pero la excelente relación entre Sigfox y ST los empujó a aprovechar este ecosistema.

Este nivel de integración también mantuvo bajos los costos, que era un objetivo importante para un proyecto que intenta popularizar la agricultura climáticamente inteligente. Adicionalmente, se utilizan desarrollos acelerados de sigfox. Por ejemplo, la escuela tenía un módulo S2-LP con un firmware Sigfox pre-flasheado. Además, las características de seguridad integradas en el protocolo de red ofrecen a los estudiantes una capa esencial de protección contra intrusiones.

Dilmun Hill Student Farm

La experiencia de la escuela también fue extremadamente positiva. David Baughman, ingeniero de ventas de campo en Sigfox, nos dijo que la instalación de la red fue bastante sencilla y se realizó en menos de media hora. De hecho, el dispositivo maestro se encuentra actualmente en el establo de la granja estudiantil de Dilmun Hill. Sin embargo, los estudiantes temían que esta ubicación no fuera lo suficientemente buena porque el edificio se encuentra en la parte inferior de la colina y la línea de visión es subóptima. Sin embargo, todos los dispositivos conectados a la red y el ancho de banda fueron excelentes, lo que demuestra la solidez de la red Sigfox. El siguiente paso del proyecto es aprovechar esa red para optimizar la comunicación entre los dispositivos maestro y esclavo para ahorrar recursos y demostrar la confiabilidad y la eficacia de este sistema de riego automatizado.

Fuente: Blog ST