Desarrollo de un sistema para riego inteligente basado en la monitorización de diferentes parámetros ambientales en cultivos sin suelo
- Autores: Francisco de Asís Sánchez Millán
- Directores de la Tesis: Francisco José Ortiz Zaragoza (dir. tes.), Vicente Martínez López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Número de páginas: 195
- Títulos paralelos:
- Development of an intelligent irrigation system base don the monitoring of different enviromental parameters in soilles crops
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Ángeles Botella Marrero (presid.), José Alfonso Vera Repullo (secret.), Miguel Ángel Zamora Izquierdo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad Politécnica de Cartagena
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
- Resumen
- español
Las condiciones edafoclimáticas del sureste español, que previsiblemente empeorarán debido al cambio climático, hacen necesario encontrar formas más eficientes de utilizar el agua para mantener una agricultura sostenible. La escasez de agua implica el empleo de recursos hídricos de calidad media o baja, con una alta concentración de sales solubles, lo que influye de forma negativa sobre el rendimiento de los cultivos. El sureste de España es una de las áreas agrícolas más productivas de Europa, debido a sus condiciones climatológicas y de suelo, destacando el cultivo de tomate. En esta zona del sureste, la agricultura intensiva que se está practicando en la actualidad, lleva consigo un peligro de contaminación ambiental, producido principalmente por la lixiviación de nitratos y fosfatos. La necesidad antes comentada de optimización de los recursos disponibles, hace que cada vez sea más frecuente el empleo de los nuevos sistemas de cultivo, tales como los cultivos sin suelo, en los que se utiliza como soporte sustratos como soporte, lo que permite un mejor control del riego. Controlar el consumo de agua, es, por tanto, fundamental para incrementar la productividad y la calidad de la plantación. Aunque a consecuencia del elevado precio actual de los sistemas de control de riego en el sur de Europa, el 60-80% de los cultivos sin suelo se siguen regando según la experiencia del agricultor o asesor agronómico. La hipótesis de esta tesis es que el desarrollo de un sistema de control de bajo coste y alto rendimiento permitirá a los pequeños agricultores mejorar la eficiencia en el empleo del agua, obteniendo un mejor control de los cultivos sin suelo. El objetivo de la presente tesis es diseñar y desarrollar un sistema de control rentable para la optimización del riego de cultivos sin suelo, tras evaluar los tres sistemas de control del riego más representativos en la actualidad y determinar cuál de ellos es el más eficiente. Para ello se realizó un ensayo bifactorial en cultivo sin suelo de tomate, con tres sistemas de decisión de riego: Radiación solar acumulada (RA); Gravimetría (G); y CVA de sustrato (CVA) y dos tratamientos: Control (Solución Nutritiva “Hoagland”); y Salinidad (Solución Nutritiva “Hoagland” con 50 mM de NaCl), donde cada sistema de decisión fue implementado 2 veces, una para control y otra para salinidad. Partiendo de los resultados agronómicos de la comparación de estos métodos, se desarrolló un prototipo de bandeja gravimétrica inteligente comercial, con posibilidad de gestión en remoto. El dispositivo registra las variaciones de peso, incluyendo un peso de referencia para la activación de riego, que variará en función de si el porcentaje de drenaje está por encima o por debajo de una consigna establecida y realizando un reajuste en función del peso perdido por transpiración de la planta. El equipo registra también el peso de inicio de riego y fin de drenaje, los volúmenes de riego y drenaje, así como el pH y la CE del drenaje. También ofrece la posibilidad de determinar la temperatura, la CE y el contenido volumétrico de agua del sustrato, y la radiación solar. Este nuevo diseño es escalable, gracias al uso de un sistema de adquisición de datos modular y una arquitectura de programación basada en bloques de función y estructuras de variables. Por otra parte, la reducción de cableado conseguida gracias al empleo del protocolo de comunicación Modbus-RTU, junto con el hardware desarrollado, hace que el sistema sea rentable, incluso con múltiples zonas de control. Además, es compatible con cualquier tipo de controlador de fertirriego mediante el empleo de activaciones externas. Su diseño y características resuelven los problemas de sistemas similares disponibles en el mercado a un coste mucho más reducido. La idea es permitir al pequeño agricultor, aumentar su productividad sin tener que realizar un gran desembolso. El impacto de este trabajo hará posible que los pequeños productores tengan acceso a una tecnología asequible y de última generación para la gestión del riego sin suelo, lo que supondrá una mejora considerable de la productividad.
- English
The soil and climate conditions in south-eastern Spain, which are expected to worsen due to climate change, make it necessary to find more efficient ways of using water to maintain sustainable agriculture. The scarcity of water resources implies the use of medium or low-quality water, with a high concentration of soluble salts, which has a negative influence on crop yields. The southeast of Spain is one of the most productive agricultural areas in Europe, due to its climate and soil conditions, with tomato cultivation standing out. In this south-eastern area, the intensive agriculture that is currently being practiced entails a danger of environmental pollution, mainly due to the leaching of nitrates and phosphates. The above-mentioned need to optimize available resources means that the use of new cultivation systems, such as soilless cultivation, in which substrates are used as a support, allowing better control of irrigation, is becoming more and more frequent. Controlling water consumption is therefore essential to improve crop yield and quality. Although because of the current high price of irrigation control systems in southern Europe, 60-80% of soilless crops are still irrigated according to the experience of the farmer or agronomic advisor. The hypothesis of this work is that the development of a low-cost, high-performance control system will enable small-scale farmers to improve water use efficiency by obtaining better control of soilless crops. The objective of this study is to design and develop a cost-effective control system for the optimization of soilless crop irrigation, after evaluating the three most widely used irrigation control systems currently in use and determining which of them is the most efficient. For this purpose, a bifactorial trial was carried out in a soilless tomato crop, with three irrigation decision systems: Accumulated Solar Radiation (AR); Gravimetry (G); and Substrate AVC (AVC) and two treatments: Control ("Hoagland" Nutrient Solution); and Salinity ("Hoagland" Nutrient Solution with 50 mM NaCl), where each decision system was implemented 2 times, once for control and once for salinity. Based on the agronomic results of the comparison of these methods, a prototype of a commercial smart gravimetric tray was developed, with the possibility of remote management. The device records weight variations, including a reference weight for irrigation activation, which will vary depending on whether the drainage percentage is above or below a set target and making a readjustment according to the weight lost by plant transpiration. It records the weight at the start of irrigation and end of drainage, the irrigation and drainage volumes, as well as the pH and EC of the drainage. It also offers the possibility to determine temperature, EC and volumetric water content of the substrate, and solar radiation. This new design is scalable thanks to the use of an implemented data acquisition system called SDB and the development of software in the Codesys programming environment based on function blocks and variable structures. Moreover, the reduction in wiring achieved through the use of the Modbus-RTU communication protocol makes the system cost-effective, even with multiple control zones. In addition, it is compatible with any type of fertigation controller through the use of external triggers. Its design and features solve the problems of similar systems available on the market at an affordable cost. The idea is to enable the small farmer to increase his productivity without having to make a large outlay. The impact of this work will make it possible for small farmers to have access to affordable, state-of-the-art technology for soilless irrigation management, which will lead to a considerable improvement in productivity.
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