TECNIFICADO SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

El presente invento se refiere a un Sistema y a un Procedimiento inalámbrico de automatización y control de riego tecnificado que ha sido diseñado y construido para ser aplicado sobre cualquier plantación de frutales, hortalizas, jardines o similares, que posean equipamiento de riego tecnificado. El objetivo central del

Sistema y del Procedimiento es que inalámbrica y centralizadamente, administra y controla, en forma individual, cada uno de los elementos que activan y desactivan el riego; asimismo capturar datos de sensores de múltiples factores incidentes en

Ia productividad de las plantas y calidad del riego, distribuidos en el área regada; y registrar toda Ia información que de ambos procesos se genera.

Complementariamente permite registrar cualquier otra información externa relacionada con Ia productividad de las plantas y factores que inciden en ésta, permitiendo en un único repositorio procesar y relacionar todos los datos del proceso productivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En Ia actualidad el riego tecnificado para grandes plantaciones presenta serias dificultades, pues adolece de los mecanismos necesarios para ser manejado adecuadamente, Io que se describirá en los párrafos siguientes.

La rentabilidad del negocio frutícola depende de Ia productividad y calidad del fruto que se obtiene, por Io que se debe buscar Ia máxima rigurosidad en Ia planificación y ejecución de todas las tareas agrícolas; entre ellas una de las más importantes es el riego y fertilización; y controlar posteriormente que efectivamente se hayan ejecutado de acuerdo a Io planificado.

El manejo de Ia información es de vital importancia, pues es Ia única forma de tomar las decisiones en forma oportuna y porque permite con posterioridad analizar las causas que produjeron los logros o fracasos obtenidos. Mantener toda

Ia información bajo un mismo sistema, para visualizarla y relacionarla entre sí, es de primera necesidad. En Ia actualidad no existe en el mercado nacional ni extranjero, una solución que pueda satisfacer estos requerimientos.

El riego tecnificado está conformado por bombas que extraen el agua desde una fuente (pozo, tranque, canal), Ia impulsan a una tubería que conforma una red de agua, que mediante válvulas de accionamiento eléctrico, permiten alimentar en forma sectorizada las líneas de riego que poseen los goteros o microaspersores que son finalmente quienes entregan el agua a las plantas. Normalmente e inmediatamente a Ia entrada de Ia bomba, se intercala un equipo fertirrigador, que tiene por función alimentar uno o más nutrientes a Ia red de agua, los que serán entregados a las plantas.

Las válvulas de accionamiento eléctrico, también llamadas electroválvulas, están conectadas con alambre eléctrico a un controlador que se programa para indicar el momento en que éstas deben ser abiertas o cerradas. Desde ese mismo controlador se da Ia orden de partida y detención de Ia (o las) bombas involucradas con dichas válvulas. El fertirrigador normalmente se programa en otro centro de control o se acciona en forma manual.

El riego se dimensiona considerando factores tales como Ia superficie y especie a plantar; las características del suelo; Ia evapotransplración y temperaturas de Ia zona en las diversas estaciones del año; Ia densidad de plantación; y otros relacionados. En base a ello, se determina Ia cantidad máxima de agua por unidad de tiempo que se necesita entregar a las plantas cuando estén en plena producción. Luego, se diseña el sistema de riego, número de bombas, fertirrigadores, tamaño de los sectores, número y ubicación de electroválvulas, número y tipo de emisores de riego (goteros o microaspersores), diámetros y trazado de Ia red de tuberías y cables eléctricos.

Los sectores en que se divide el área a regar se establecen con el objeto de optimizar el uso de recursos como bombas y fertirrigadores; por ejemplo, dado que los sectores cultivados no se regarán 24 horas al día sino que quizás un máximo de 3 horas diarias, entonces se pueden regar hasta 8 sectores utilizando para todos ellos las mismas bombas. Las bombas se instalan dentro de una caseta de riego, cercana a Ia fuente de agua, donde también se instalan el fertirrigador y los controladores con que se programan el riego y Ia fertilización. Considerando que los goteros son orificios muy pequeños, para evitar que estos se tapen, el agua extraída desde Ia fuente pasa inmediatamente por un sistema de filtros. Para limpiar los filtros existe un proceso de retrolavado que hace pasar el agua en sentido inverso, el cual se activa automáticamente por un tiempo y con una frecuencia determinadas mediante diferentes criterios dependiendo de los modelos y fabricantes de los referidos filtros. Una configuración frecuente para cultivos frutales como paltos y cítricos, es que haya una o dos bombas, ubicadas en una caseta de riego, por cada 25 hectáreas que conforman un huerto de riego. La superficie está dividida en 5 sectores cada uno con 15 válvulas. Así un campo con 500 hectáreas de plantación tendrá: - 20 Sistemas de riego, cada uno con su caseta de riego y su controlador para programación

- 30 bombas

- 20 fertirrigadores, cada uno con su controlador para programación - 100 sectores de riego - 1.500 válvulas

Las casetas de riego, donde están los controladores para programar el riego y fertilización, están lejanas de las oficinas donde normalmente se encuentra ubicado el agrónomo que define cómo se desea regar y también lejanas entre si.

Los controladores que se usan habitualmente, son equipos muy básicos, que fundamentalmente permiten programar Ia hora de apertura de una serie de electroválvulas, y Ia hora de cierre de éstas. Son similares a los controladores de riego de jardín.

Pueden almacenar un número limitado (6 a 12) de programas de riego. Pueden desprogramarse por falta de energía eléctrica. En general no tienen capacidad para detectar ni notificar eventuales anomalías. No tienen capacidad de registro de información.

El responsable de riego, en base a múltiples variables, tales como evapotranspiración, temperatura ambiente, textura del suelo, especie plantada, viento, y otras, define cuánto y cuándo regar y fertilizar. Mientras mayor flexibilidad tenga para operacionalmente implementar el riego, dicho responsable podrá buscar con mayor facilidad Ia forma para lograr un riego óptimo.

Para una plantación de paltos por ejemplo, se puede definir para una semana determinada, que se desea regar todos los días de Ia semana, 3 horas diarias, a partir de las 11 horas. Para materializarlo, en el controlador debe programarse este riego, Io cual no presenta mayores dificultades. Sin embargo, el asunto se hace más complicado si se define que se quiere regar en base a pulsos en lugar de tiempos largos, por ejemplo regar 8 minutos a partir de las 10 horas, luego 12 minutos a partir de las 11 horas, y así sucesivamente hasta completar 8 pulsos durante todos los días de Ia semana, con excepción del día Domingo que se desea un riego largo de 4 horas a partir de las 13 horas. Programar este tipo de riegos presenta ya mayores dificultades.

Si se quiere regar con mayor precisión, buscando el mayor confort para Ia planta y así lograr una mejor productividad de ésta, Ia programación se hace más compleja. Si a ello agregamos que Ia función de programación debe realizarse en un dispositivo poco amistoso, muy limitado y que se encuentra lejos del lugar donde se toman las decisiones, entonces el problema se agrava.

Más aún, si Io que se busca es el mayor confort de Ia planta, ante cambios importantes de las condiciones climáticas, deberá necesariamente cambiarse el riego planificado. Con los mecanismos actualmente disponibles, esto difícilmente se realiza, pues Ia complejidad de operación aumentaría sustancialmente.

El responsable de definir el riego presume que realmente se riega de acuerdo a Io que él ha establecido, sin embargo hay múltiples factores que pueden desvirtuarlo. Un primer factor es que el encargado de programar el riego no Io haga correctamente, Io que es difícil detectar. Un segundo factor es que el riego programado no se haya efectuado o se haya efectuado solo parcialmente por corte de energía eléctrica. Similares factores se presentan en el proceso de fertilización.

Dado que los programadores de riego no tienen capacidad para registrar el riego realmente efectuado, el encargado de riego de cada uno de los sistemas lleva un registro manual de Io regado y fertilizado. Obviamente, dicha información no tiene un alto grado de confiabilidad.

El registro de los datos de riego y fertilización es de suma importancia, pues permite analizar con posterioridad Ia productividad de Ia plantación, con relación a los referidos datos, factores climáticos y agronómicos. Como se señaló anteriormente, Ia productividad de las plantas no sólo depende del riego y Ia fertilización, sino también de las condiciones meteorológicas, tales como Ia lluvia caída, el viento, Ia radiación solar, las temperaturas en las diferentes horas del día y durante toda Ia temporada, Ia humedad, entre otras. Disponer de toda esta información es vital para programar el riego y Ia fertilización, como también para posteriormente realizar un análisis de éstos y su relación con Ia productividad.

En Ia actualidad se comercializan Estaciones Meteorológicas que miden y registran estos factores, con un costo razonable. Sin embargo, dichos datos no pueden ser vistos en forma integrada con Ia información relativa al riego y fertilización, ya que se proveen con software propietario y específico.

Para tener mayor precisión y elementos de control de todos los factores incidentes en Ia productividad de las plantas, se utilizan diversos sensores que permiten medir por ejemplo Ia humedad del suelo a diferentes profundidades, Ia temperatura de las hojas, Ia dilatación y contracción del tronco de los árboles (dendrómetros), entre otros.

Normalmente, estos sensores son comercializados con un dispositivo que registra las lecturas que se efectúan, con una determinada periodicidad (por ejemplo cada 1 hora). En general, estos dispositivos no tienen Ia capacidad para transmitir esta información hacia un computador central, salvo los de costo elevado. Menos aún para integrar esos datos con Ia información relativa al riego. Revisando el estado del arte en Ia Operación y Control del Riego, se puede concluir que los elementos y dispositivos actualmente disponibles en el mercado, satisfacen las necesidades básicas de operación, sin embargo, por ser provistos por múltiples proveedores, su integración es prácticamente nula. Por otra parte, por Ia tradicional tardanza con que Ia agricultura incorpora Ia tecnología, no se han desarrollado para ésta, los sistemas de automatización y control tan utilizados en otras industrias como Ia manufacturera o minera, por ejemplo.

DIVULGACIÓN DE LA INVENCIÓN Por Io tanto, un objeto de Ia Invención, es construir un sistema de automatización y control para todos los dispositivos que intervienen en el riego tecnificado. Este facilitará su operación y registrará toda Ia información concerniente al proceso además de diseñar y construir un sistema de información que integre los datos relativos al riego, las condiciones meteorológicas, los sensores y toda otra información que pudiera ser útil para lograr un manejo agronómico eficiente, orientado a obtener una rentabilidad óptima en las plantaciones y con una trazabilidad total de Io ejecutado.

Como se describió anteriormente, los actuales sistemas de riego, en su infraestructura están integrados por bombas, electroválvulas y fertirrigadores como dispositivos comandables. Las bombas y electroválvulas están comandadas por el controlador o programador de riego y los fertirrigadores son comandados por un segundo programador independiente.

Dadas las importantes restricciones que presentan estos programadores, en Ia presente invención se decidió prescindir de éstos en el diseño de Ia solución que se propone.

Por tanto, otro objeto de Ia invención, es construir un sistema de automatización que comande solamente bombas, fertirrigadores y electroválvulas. Bombas y fertirrigadores son fácilmente alcanzables, pues ambos elementos están ubicados en Ia caseta de riego, muy cercanos entre ellos. Las electroválvulas en cambio, están distribuidas en toda Ia superficie de Ia plantación, Io que representa un problema mayor. Estas electroválvulas, comandadas por el programador, en general reciben alimentación eléctrica de 24 volts para accionar el dispositivo que las abre, y se cierran por Ia acción de un resorte cuando dejan de recibir energía. Aprovechando Ia posibilidad de obtener energía desde Ia misma electroválvula, se define como otro objeto de Ia presente invención el construir un dispositivo electrónico que alimentado por esa energía pudiese actuar para abrir y cerrar cada electroválvula. Dicho dispositivo debía además, estar comunicado con un computador central en el que se programa y desde el que se comanda el riego, a partir de órdenes individuales de apertura y cierre para cada una de ellas. Esa configuración permite tener total independencia para actuar en cada válvula en forma individual, ya sea manual o automáticamente. Los sistemas vigentes normalmente se han construido de forma tal que varias válvulas están agrupadas como guirnaldas que son al unísono abiertas o cerradas, Io cual ofrece poca flexibilidad para hacer riegos diferentes en las zonas de influencia de cada válvula, si así se requiere.

Para comunicar estos dispositivos con el computador central, Ia invención incluyó en ellos una radio de alta frecuencia que no produce interferencia con otras señales como las de teléfonos celulares y otras radios en FM. Complementariamente, se diseñó y construyó un protocolo de comunicaciones entre las radios y de éstas con el computador central con Io cual se logró alta flexibilidad pudiendo, en caso de no existir comunicación directa entre una radio y el computador central, lograr Ia comunicación usando radios intermedias que hacen Ia función de retransmisoras de mensajes.

Dado que los sensores para medir humedad, temperatura, espesor de tronco, y otras relacionadas como datos de tensiómetros, se requiere que estén distribuidos en toda Ia superficie plantada, al igual como están distribuidas las válvulas, se define como otro objeto de Ia invención, el incorporar a los dispositivos que abren y cierran válvulas, Ia capacidad para conectar sensores.

Entre los sensores también se han incluido algunos cuyo objetivo específico es controlar Ia calidad del riego, entre éstos están: presión del agua en diferentes puntos; medición de caudal a Ia salida de las bombas; cantidad de agua entregada por goteros o microaspersores; y otros de similar naturaleza.

El dispositivo administra Ia frecuencia en que se hace Ia medición y transmite hasta el computador central el valor medido con Io cual se tiene conocimiento inmediato de Ia información. Al recibirse el dato en el computador central, si éste está fuera de los rangos de normalidad, el sistema de información dará inmediatamente las alarmas necesarias.

Otro objeto de Ia presente invención, es construir un sistema de información que administre en forma integrada todos los datos que se generan en el proceso de riego y fertilización, los captados por los sensores y los provenientes de Ia estación meteorológica. Así, en una única aplicación pueden observarse y relacionarse los datos incidentes en Ia productividad de las plantas.

Antecedentes externos al sistema también pueden ser incorporados a éste para ser visualizados: resultado de análisis foliar; cantidad, color y tamaño de los frutos durante su desarrollo; producción en cada temporada; análisis químico del suelo; historización; u otros relacionados.

El sistema de automatización y control de Ia presente invención, es operado desde un computador, denominado Nodo Comandador, permite inalámbricamente, en forma simultánea y centralizada, con bajo costo y alta flexibilidad, dar orden de regar. A través de sensores permite medir factores de diversa índole que inciden en Ia productividad de las plantas. Registra datos de riego y de otras variables relevantes, capturados por sensores específicos y datos exógenos relacionados. A partir de parámetros de operación ingresados por el usuario, permite generar alarmas en caso de anomalías. Facilita Ia revisión de Ia información capturada a través de una serie de informes de variables individuales o consolidados multivariables; y Io más importante, permite analizar y relacionar en un mismo sistema, toda Ia información capturada del proceso y de las variables ambientales y biológicas relevantes.

Los equipos que el sistema puede comandar son: bombas, fertirrigadores, electroválvulas y cualquier otro equipo de accionamiento eléctrico o electrónico. Sobre cada uno de ellos se instala un actuador que Io opera, de acuerdo a las instrucciones que Ie son enviadas desde el comandador.

Sobre las bombas hay solo 2 actuaciones posibles: partir o parar, al igual que en el caso de las electroválvulas. Sobre los fertirrigadores las actuaciones son más complejas pero no es más que una secuencia de abrir y cerrar válvulas, y operar pequeñas bombas para dosificar los nutrientes, según una receta definida por el agrónomo.

De Io anterior se deduce que el actuador requerido, en su función básica, requiere sólo de Ia capacidad de abrir y cerrar (partir y parar), cuando reciba desde el comandador Ia instrucción correspondiente.

El actuador, obviamente tiene Ia capacidad de comunicarse con el comandador, para recibir sus instrucciones de operación e informarle del resultado de éstas.

Para su operación, el actuador, que es un dispositivo electrónico, requiere disponer de energía eléctrica. En los lugares donde se ubican las bombas y fertirrigadores, ésta siempre está disponible, pues están muy cercanos a Ia red eléctrica. En las electroválvulas, distribuidas en toda Ia superficie de plantación, donde no llega Ia red eléctrica convencional, Ia invención consideró aprovechar Ia energía disponible en Ia misma electroválvula para actuar sobre ella. Este hecho es muy relevante dentro Ia invención, pues evita fuentes de alimentación alternativas como pilas o celdas fotovoltaicas, que son inseguras y de alto costo operacional y de inversión.

Definida Ia invención base, que resuelve el problema de poder actuar en forma fácil e inalámbrica los equipos de riego tecnificado, se buscó potenciarla con otras capacidades. Se determinó como otro objeto de Ia invención, el capturar y transmitir al comandador datos de sensores (humedad, temperatura ambiente, temperatura de hojas, espesor de tronco, presión, caudal, y otros relevantes) era muy deseable, pues dicha información es de mucho interés para el responsable de Ia administración y control del predio. Como se señaló previamente, el actuador es un dispositivo electrónico con capacidades para: comunicarse con el comandador, abrir y cerrar electroválvulas, partir y parar bombas y capturar datos de sensores para transmitirlos al computador.

Para tales efectos en su diseño se incluyó:

- Microprocesador - Radio UHF

- Puertas analógicas

- Puertas digitales

- Relés

Como consideración mecánica de diseño, el actuador se encapsula dentro de una caja plástica sellada para trabajar en Ia intemperie; y es alimentado por Ia energía eléctrica disponible para operar las electroválvulas (entre 18 y 30 volts a.c).

Para Ia comunicación por radio entre el actuador y el comandador, se diseñó y construyó un protocolo de comunicaciones Ad-Hoc para Ia invención. Una característica relevante de este diseño, es que el protocolo permite que cualquier actuador instalado en el predio pueda usarse como repetidora de mensajes. Esto permite potenciar Ia red y aprovechar esta intercomunicación para resolver situaciones en que no sea posible Ia comunicación directa de un actuador particular con el comandador, usando actuadores intermedios como apoyo. El microprocesador del actuador, además de manejar el protocolo de comunicaciones, tiene una aplicación para sacar el máximo provecho a las puertas analógicas y digitales de que dispone. A través de las puertas analógicas adquiere datos de los sensores; y opera los equipos de riego a través de sus salidas digitales, acondicionadas con relés auxiliares que Ie permiten manejar mayor potencia.

En el nodo comandador, basado en un computador, se construyeron diversas aplicaciones y entre las características más importantes de éstas podemos destacar:

- La comunicación con los actuadores vía una radio UHF conectada en una puerta serial RS-232 o USB del PC. - La operación de los equipos de riego, bombas, fertirrigadores y electroválvulas; a través de los actuadores.

- Definir y ejecutar programas de riego en un ambiente computacional amigable. - Programar Ia frecuencia de lectura de datos de los sensores.

- Administrar una base de datos con toda Ia información de riego y sensores.

- Sistema de alarmas ante eventuales anormalidades.

- Captura y almacenamiento de datos de estaciones meteorológicas. - Generación de respaldo automático de los datos capturados, en un computador de otra ubicación geográfica.

- Generación de reportes de variables medidas y de Ia operación del proceso; en pantalla, exportables a otros programas de análisis o impresos.

- Administración de usuarios y sus privilegios frente al sistema. - Trazabilidad e Historización

Mediante esta invención, desde el comandador que administra los actuadores o desde cualquier computador conectado a éste, es posible confeccionar programas de riego y ejecutarlos con precisión, administrando en forma individual cada una de las electroválvulas del predio. En el nodo comandador se pueden revisar los riegos históricos, graficarlos en paralelo con Ia temperatura ambiente, Ia humedad del suelo y el espesor del tronco, por ejemplo.

Si mientras se ejecuta un riego se rompe alguna tubería, Ia presión de agua se alterará Io cual será detectado por los sensores e informado a Ia aplicación existente en el comandador. Esta y otras anomalías detectadas por los sensores pueden suspender los programas de riego automáticamente, según el actuar que se defina. El sistema de alarmas avisará con un mensaje en el computador, un mensaje a celular o email y/o el zumbido de una chicharra en Ia garita del guardia, según Ia acción definida para cada situación de excepción. Previo a Ia invención todo esto no era factible. En medianas y grandes plantaciones se administra un número importante de electroválvulas, 1.000 o más. En ellas suele haber varias especies plantadas, con suelos de variadas características estructurales, con pendientes diferentes, con exposición solar diferente, con plantas de distintos niveles de desarrollo, y muchas otras de diversa relevancia. A ello se agrega Ia variabilidad de los factores climáticos, temperatura, viento, humedad relativa, y otras incidentes, todo Io cual configura escenarios muy variados y dinámicos en los que sin herramientas es imposible programar y operar riegos adecuados y eficientes. Si el riego no es el adecuado, Ia productividad de Ia planta y Ia calidad de los frutos estarán lejos de sus óptimos y por ende Ia rentabilidad del proyecto puede verse seriamente castigada.

La invención además de mejorar sustancialmente Ia calidad y eficiencia del riego, disminuye importantes costos en personal, especialmente de quienes programan y ejecutan el riego, quienes muchas veces al día deben trasladarse largas distancias para llegar hasta las casetas de riego desde donde se comanda Ia operación.

También permite ahorros importantes en agua, energía e insumos, ya que permite el uso eficiente de ellos y evita desperdicios producidos por rotura de ductos y otras anomalías. Sin considerar Ia disminución de costos atribuibles al sistema, un riego adecuado y preciso permite obtener importantes mejoras en productividad. Un aumento de 5 a 7% de mayor producción permite financiar íntegramente Ia instalación de Ia invención. Estas mejoras productivas son posibles como consecuencia de una mejor planificación, ejecución y control del riego, además del importante aporte que significa para el productor toda Ia información para Ia toma de decisiones que se captura a través de los sensores distribuidos en terreno y que se consolida en el sistema.

Además es un aporte de alto valor para el agrónomo pues por fin podrá verificar fácilmente si su plan de manejo fue realizado de acuerdo a Io que él planificó. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Figura 1: Foto aérea del predio en que se aplica Ia invención, donde se muestra Ia ubicación del nodo comandador (en las oficinas del campo); un nodo actuador con función de repetidora en comunicaciones, ubicada en Io alto de un cerro a 2,2 kilómetros del nodo comandador; y el área del huerto donde se aplica

Ia invención a una distancia de 1 ,8 kilómetros del cerro con Ia repetidora.

Figura 2: Foto aérea del huerto en que se aplica Ia invención que muestra Ia red de tuberías de riego; Ia ubicación de las 2 bombas y el fertirrigador; y las 39 electroválvulas que al aperturarse entregan el agua a las líneas de goteros que riegan y fertilizan las plantas.

Figura 3: Foto aérea del huerto en que se aplica Ia invención donde se muestran los nodos actuadores que se instalaron para Ia operación del Sistema Inalámbrico de Automatización y Control de Riego Tecnificado. En detalle se pueden apreciar los nodos actuadores en las 2 bombas, el fertirrigador, cada una de las 39 electroválvulas y 3 nodos actuadores para sensores en 4 árboles testigos.

Figura 4: Diagrama esquemático del circuito electrónico con que se diseñó el nodo actuador.

Figura 5: Capa superior del circuito impreso (Layer) del nodo actuador, en que se presentan las conexiones en Ia cara superior de Ia placa (Lado Componentes) del circuito impreso.

Figura 6: Capa inferior del circuito impreso (Layer) del nodo actuador, en que se presentan las conexiones en Ia cara inferior de Ia placa (Lado Soldadura) del circuito impreso. Figura 7: Capa de Perforaciones del circuito impreso (Layer) del nodo actuador, en que se presentan las perforaciones que atraviesan Ia placa del circuito impreso. Las diferentes figuras indican el diámetro de Ia perforación dependiendo del componente que allí se instala.

Figura 8: Capa de Señalética (serigrafía) del circuito impreso (Layer) del nodo actuador. Muestra Ia forma y el espacio físico de cada uno de los componentes electrónicos que se instalan así como Ia polaridad de los elementos polarizados.

Figura 9: Foto de un Nodo Actuador real en que se pueden apreciar sus diferentes componentes. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Invención en su objetivo central es Ia construcción de un Sistema y Procedimiento de automatización y control que permite inalámbricamente, en forma simultánea y centralizada, con bajo costo y alta flexibilidad: dar orden de regar; a través de sensores medir factores de diversa índole que inciden en Ia productividad de las plantas y Ia calidad del riego; registrar datos de riego; registrar datos capturados por los sensores; registrar datos exógenos; controlar los procesos y generar alarmas en caso de anomalías.

El Sistema de Ia presente invención está constituido por los siguientes elementos: A).- Un Nodo Comandador que comanda múltiples nodos actuadores.

Residente en un PC equipado con: radio modem, gran capacidad de disco para almacenar Ia base de datos; capacidad para administrar eventos y alarmas; y capacidad para conexión a Internet.

B).- Múltiples Nodos Actuadores, dispositivos de componentes electrónicos que incluyen un microprocesador con puertas analógicas y digitales, memoria ram y rom, fuente de poder, una radio UHF, relés y otros complementarios. Está encapsulado en una caja plástica sellada para trabajar en

Ia intemperie. Las figuras 4 a 8 muestran el diagrama esquemático del circuito electrónico del nodo actuador y las diferentes capas (layers) del circuito impreso, Ia figura 9 una foto del referido nodo.

Características de diseño del Nodo Actuador:

- Muy bajo consumo energía eléctrica

- Bajo costo de producción

- Fácil de instalar y reparar - Reemplazable con facilidad - Poca singularidad, todos iguales pero con Ia capacidad de hacer múltiples tareas diferentes de acuerdo a Ia instrucción que reciba

- Configuración de Ia funcionalidad en tiempo de ejecución (run time)

- Confiable y Seguro para trabajar en Ia intemperie - Cooperan entre sí para alcanzar grandes distancias o salvar obstáculos de comunicación.

Las radios UHF utilizadas en Ia invención para los nodos actuadores, están dotadas de un microprocesador que analiza los mensajes que recibe de otras radios, con el objeto de traspasar al microprocesador del dispositivo solo los mensajes que están dirigidos a él, el resto de los mensajes son desechados. Mediante esta característica se logra evitar que el microprocesador del dispositivo se deba ocupar de mensajes que no son de su incumbencia.

El microprocesador o microcontrolador seleccionado para incluir en los nodos actuadores de Ia invención, es de bajo costo pero grandes prestaciones. El fabricante es confiable y su abastecimiento está garantizado por muchos años. Integra CPU, Ram, Rom, EEprom, puertos de comunicaciones analógicas y digitales. Existe una amplia oferta de ambientes de desarrollo disponibles, Io que facilita el desarrollo de aplicaciones. Puede operar sin problemas en las condiciones ambientales requeridas. Es de bajo consumo de energía e incluso dispone de modo dormir (sleep). Cuenta con temporizador (watch dog timer), que permite reinicializar el programa en caso de problemas. Cuenta con interfaz I2C y SPI, Io que Io hace compatible con una amplia gama de otros dispositivos electrónicos.

El firmware que se graba en el nodo actuador fue diseñado y construido especialmente para esta invención y entre sus características principales están:

• Diseño modular.

• Programado en lenguajes C y Assembler.

• Eficiente uso de las interrupciones por hardware que posee el microcontrolador.

• Chequeo exhaustivo de Ia integridad de los mensajes recibidos. • Comportamiento controlado por mensajes de texto, según protocolo propietario.

• Capacidad para actuar como repetidora de mensajes dirigidos a otros nodos. • Manejo de puertos de Entrada/Salida, de utilidad definible en tiempo de ejecución.

• Manejo de Ia funcionalidad provista por el radiomodem UHF.

• Capacidad para actuar equipos con control eléctrico o electrónico.

• Capacidad para adquirir datos de sensores analógicos y digitales. C).- Una Red de Comunicaciones y Mensajería que permite al nodo comandador, a través de su radio modem, y nodos actuadores, a través de su radio UHF todos en forma cooperativa, transmitirse unos a otros, mensajes con las instrucciones que deben ejecutar y el resultado de éstas, todo basado en un protocolo de comunicaciones construido específicamente para esta invención. El Procedimiento de Ia presente invención que permite operar y controlar automáticamente a distancia e inalámbricamente, equipos de riego tecnificado se encuentra definido por las siguientes etapas:

A),- Programar el Riego, basado en múltiples variables estáticas como especie y variedad del fruto plantado, distancia entre plantas e hilera (densidad) de plantación, características del suelo, volumen de agua por unidad de tiempo que entregan los goteros o microaspersores a las plantas; y variables dinámicas como temperatura ambiente, evapotranspiración, humedad del suelo, estado del fruto o Ia flor; el responsable de riego del área en cuestión establece el Programa de Riego. El Nodo Comandador facilita Ia recepción de los datos que conforman el

Programa de Riego que se establece para periodos semanales, quincenales, mensuales o de plazo arbitrario. Se validan los datos en forma individual e integral para detectar eventuales inconsistencias de éstos.

B).- Generar Tabla de Riego, a partir del Programa de Riego, el Nodo Comandador genera Ia Tabla de Riego que establece Ia hora de inicio y el tiempo de duración de éste, en forma individual para cada: salida de los fertirrigadores, electroválvulas y bombas asociadas a ellas.

C),- Revisar Tablas de Riego, el Procedimiento continuamente revisa las Tablas de Riego con el objeto de que cuándo corresponda, el Nodo Comandador, genere Ia Orden de Ejecución de Riego.

D).- Ordenar Ejecución de Riego, el Nodo Comandador al generar Ia Orden de Ejecución de Riego, a través de Ia red de comunicaciones, comanda en el momento oportuno y en forma individual a cada uno de los nodos actuadores, para que activen los elementos de riego: bombas, salidas de fertirrigadores y electroválvulas. Cumplido el tiempo de duración correspondiente o logrado el volumen de agua requerido, ambas opciones disponibles, el nodo comandador comandará al nodo actuador para que desactive el elemento de riego.

Para toda instrucción recibida por el nodo actuador, éste emite un mensaje al nodo comandador señalando el resultado obtenido. Durante el período de duración, en forma individual para cada instrucción de riego, el nodo comandador cada un parametrizable lapso pequeño de tiempo, controla que Ia instrucción se encuentre en ejecución. Si el nodo comandador detecta alguna anomalía, inmediatamente genera un evento o alarma que en el Programa de Riego, el administrador definió paramétricamente. E).- Registrar Ia Información de Riego, el Nodo Comandador registra en detalle todas las acciones de riego que instruyó y el resultado de dicha instrucción. Si se detectó alguna anomalía, esta también queda registrada.

F).- Programar Lectura de Sensores, en el área de plantación y distribuidos con diversos criterios establecidos por el administrador, asociados a un nodo actuador, se conectan sensores que permiten medir múltiples factores, entre otros: pH del agua, presión en tuberías, espesor del tronco, temperatura ambiente, temperatura de hojas, temperatura de suelo, lluvia, humedad del suelo en diversas profundidades. De acuerdo al tipo de sensor y Ia periodicidad de lecturas que de este se desea, el responsable de riego del área en cuestión, establece el Programa de Lectura de Sensores. El Nodo Comandador facilita Ia recepción de los datos que conforman el

Programa de Lectura de Sensores que se establece para periodos semanales, quincenales, mensuales, de plazo arbitrario o de plazo indefinido. Se validan los datos en forma individual e integral para detectar eventuales inconsistencias de éstos.

A partir del Programa de Lectura de Sensores, el nodo comandador genera Ia Tabla de Lectura de Sensores y así sucesivamente pasos muy similares a los descritos para riego con Ia diferencia de que en lugar de activar y desactivar elementos de riego, el nodo actuador por instrucción recibida desde el nodo comandador, activa un sensor, el cual lee el resultado de Ia medición y Io transmite al nodo comandador quien Io almacena como información histórica. Si el nodo comandador detecta anomalías en los datos recibidos desde los sensores, por estar fuera de rangos de normalidad por ejemplo, genera un evento de alarma con las características que paramétricamente estableció el administrador. G).- Subsistema de Alarmas, este subsistema recibe las señales de alarma generando diversas formas de notificación a quienes se establezcan en forma parametrizada: llamada a celular, mail a administrador, chicharra en caseta de nocheros, u otras que el administrador haya definido. En general todas las alarmas son generadas por el Nodo Comandador, sin embargo algunos nodos actuadores pueden actuar autónomamente chicharras para comunicar por ejemplo que no está recibiendo instrucciones.

H).- Reprogramar el Riego, el Sistema por mediciones obtenidas por los sensores, principalmente de humedad de suelo y tensiómetros, si detectan diferencias contra los patrones establecidos para el Programa de Riego, sugieren automáticamente una reprogramación del riego Ia que es informada al administrador. Paramétricamente se define si Ia reprogramación debe ser autorizada por el administrador o se practica automáticamente. El administrador por propia iniciativa, puede en cualquier momento, reprogramar un riego.

I).- Administrar vía Internet, desde cualquier PC conectado al computador en que reside el Nodo Comandador, de acuerdo a los privilegios que tenga el usuario que se conecte, puede hacer todo tipo de acciones como: ver datos de riego, programar, reprogramar o suspender riegos.

J).- Subsistema de Respaldo, el Nodo Comandador, en forma automática, cada intervalos parametrizados de tiempo, a través de Internet, respalda Ia información de Ia base de datos en un PC prefijado que idealmente debe estar ubicado en un lugar diferente al del nodo comandador. En caso de desperfectos en el Nodo Comandador o en el evento de que éste haya sido objeto de robo o pérdida, todas las funciones del Nodo Comandador pueden ser efectuadas desde el PC de respaldo. El Subsistema de Respaldo está constantemente verificando su interacción con el Nodo Comandador con el objeto de alertar a quienes corresponda con Ia alarma que el administrador haya definido para tal circunstancia en el caso que Ia comunicación se haya interrumpido.

K).- Subsistema de Revisión de Integridad, el Nodo Comandador, en forma automática, cada intervalos parametrizados de tiempo, a través de Ia red de comunicaciones, hace un barrido sobre cada uno de los nodos actuadores verificando su disponibilidad y que todos sus componentes estén operativos. Asimismo, verifica que todos los sensores conectados a dicho nodo, estén operativos. En caso de detectar anomalías, genera las alarmas correspondientes para corregir el problema. L).- Generar Grupos, las electroválvulas son comandadas y actuadas en forma individual, sin embargo con el objeto de facilitar el trabajo al administrador de riego, éste puede establecer mediante el procedimiento, Grupos de Electroválvulas sobre todas las cuales se actuará de Ia misma forma. Dichos grupos son virtuales y dinámicos, que el administrador puede modificar con entera libertad para regar por ejemplo siguiendo Ia trayectoria del sol que cambia según las estaciones del año. Incluso, para optimizar el riego, el administrador puede poner simultáneamente una electroválvula en más de un grupo, los cuales serán actuados en momentos diferentes.

M).- Valores por Defecto (Default), el procedimiento dispone de infinidad de parámetros para entre otros, establecer frecuencias de lectura de los sensores, acciones ante alarmas, colores con que se representan objetos y sectores de riego. Para facilitar al administrador el trabajo de ingreso de datos, todos los parámetros están definidos con un valor por default. Si un cliente redefine el valor default de un parámetro, ese nuevo valor queda por default para todas las instancias en que el parámetro sea utilizado en el cliente. A modo de ejemplo, Ia figura 1, muestra una empresa agrícola que posee un predio de 800 hectáreas plantadas, donde se aplicó Ia invención en un huerto de mandarinas clemenules llamado TamSaui de 40,55 hectáreas. La plantación data del año 1998 y considera riego tecnificado, con goteros de 2Lt/Hr, que incluye 2 bombas, una de 75Hp y Ia otra de 40Hp, un fertirrigador de 3 inyectores y 39 electroválvulas. El huerto está dividido en 4 sectores de riego, denominados A, B,

C y D, de aproximadamente 10 Ha cada uno. Los sectores A y B son regados sólo con Ia bomba de 75Hp, pero para regar los sectores C y D se deben usar las dos bombas en conjunto, ya que estos están a mayor altura, en Ia ladera de un cerro.

En las oficinas administrativas de Ia empresa, ubicadas en el mismo campo a una distancia aproximada de 4 kilómetros del huerto seleccionado, se instaló el nodo comandador con su radio modem. Dada Ia distancia entre Ia ubicación del nodo comandador y el huerto, con presencia de cerros en las inmediaciones, se instaló un nodo actuador en Ia cima de uno de estos cerros, cuya única función es facilitar las comunicaciones entre Ia oficina y el huerto, sirviendo de repetidor en Ia red de comunicaciones.

En Ia figura 2, se muestra una vista aérea del huerto, donde se puede apreciar el tranque alimentador de agua, cercano al cual está ubicada Ia caseta de riego en Ia que están instaladas las bombas (dibujadas en color azul) y el equipo fertirrigador (rectángulo blanco con 2 puntos verdes). En Ia figura también pueden apreciarse las principales matrices de Ia tubería de riego (pintadas con líneas azules) y sobre éstas las electroválvulas (pintadas como círculos verdes).

En Ia figura 3 pueden apreciarse los nodos actuadores que se instalaron, uno para cada una de las bombas y uno para el fertirrigador. Asimismo, en cada electroválvula se instaló un nodo actuador para controlarlas en forma independiente. En cada uno de los sectores de riego, y cercano a una electroválvula, se identificó un árbol testigo (figura 3 pintados como cubos amarillos). En ellos se instalaron sensores de temperatura de hoja, temperatura ambiente y dendrometría. Asimismo, en las cercanías del árbol testigo se instalaron sensores de humedad (a 30, 60 y 90 centímetros de profundidad), tensiómetro a 60 cm de profundidad, y un pluviómetro para medir el volumen de agua botada por un gotero.

Un nodo actuador controla un grupo de 2 ó 3 de los sensores señalados, por

Io que se necesitaron 3 nodos actuadores en torno a cada uno de los árboles testigo de cada uno de los 4 sectores. En total para el manejo de todos los elementos de riego y todos los sensores, se instalaron 3+12+39=54 nodos actuadores.

Los nodos actuadores para su operación requieren energía eléctrica la que obtienen de las electroválvulas (aprox. 24 volts) o de cualquier otra fuente disponible en Ia cercanía.

En el nodo comandador, constituido por un PC conectado a Internet y dotado de un radiomodem UHF, se instaló Ia aplicación denominada HydraSuccess. Esta aplicación que cuenta con un amplio menú de servicios, permite:

• Definir en el sistema, todos los datos administrativos del fundo. (Razón social, dirección, datos del(los) propietario(s), datos del administrador, y otros relevantes).

• Definir en el sistema Ia división en huertos y sectores existente en el fundo.

• Cargar en el sistema, en forma georeferenciada, las distintas ubicaciones relevantes. (Oficinas, casetas de riego, ubicación de cada electroválvula o sensor, y de cualquier otro elemento que necesite ubicarse).

• Cargar en el sistema los datos relevantes de los equipos de riego. (Bombas, electroválvulas y fertirrigadores). • Cargar en el sistema los datos relevantes de los sensores instalados. (Termómetros, dendrómetros, pluviómetros, sensores de humedad, caudalímetros, y otros operados por el sistema)

• Asociar los equipos de riego a los actuadores que los controlan. • Asociar los sensores a los actuadores que los adquieren.

• Encuestar en forma periódica el estado de operación de los equipos de riego y capturar en forma periódica las mediciones de los sensores instalados.

• Almacenar en una base de datos relacional, toda Ia información ingresada por el usuario, así como Ia obtenida desde los actuadores y desde otras fuentes. Toda Ia información disponible para todo tipo de análisis inmediatos o en el futuro.

• Configurar agrupaciones de equipos de riego y sensores, formando grupos que faciliten Ia confección de los programas de riego. • Generar programas de riego para las agrupaciones de equipos y sensores ya definidas, especificando los equipos involucrados, horario de partida, duración del programa (en minutos y/o en m3) y Ia periodicidad con que se repetirá su ejecución.

• Controlar Ia ejecución de los programas de riego generados mediante una pantalla de operación que muestra el estado de los programas y el detalle relacionado con Io planificado y Io ya ejecutado.

• Generar reportes con información de las variables medidas usando sensores de terreno, los que pueden visualizarse en pantalla, imprimirse en papel o exportarse. • Definir y controlar las situaciones de excepción y generar alarmas ante anomalías detectadas. El usuario puede definir en el sistema tanto las situaciones que generan las alarmas, así como las acciones que se llevarán a cabo para comunicar estas situaciones, (informativo en pantalla, sonidos, email o SMS a celular). Estación Meteorológica del cliente se conectó al nodo comandador, el quea frecuencia configurable, captura todos los datos de los factores climáticos que ésta mide. Entre ellos: temperatura ambiente, humedad relativa, lluvia caída, velocidad y dirección del viento, radiación solar y evapotranspiración.

También en el nodo comandador y usando el menú Programas de Riego, el administrador programó el riego semanal que deseaba para lograr una condición óptima de las plantas. Para Io cual tomó en cuenta las características de suelo, el desarrollo de las plantas y las condiciones climáticas, ya que aún no hay datos de apoyo provistos por este sistema. Estos programas especifican en forma individual para cada electroválvula, Ia hora de inicio del riego y Ia cantidad de agua que se debe reponer al suelo. Asimismo programó las dosis de fertilizantes que se agregarán con el riego.

El nodo comandador revisa constantemente los Programas de Riego ya ingresados al sistema, para determinar si es el momento de iniciar alguno de ellos. Cuando detecta que debe iniciar un riego, genera Ia Tabla de Riego, Ia cual contiene el detalle que indica en qué momento debe abrir y cerrar cada electroválvula, bomba e inyector del fertirrigador.

Seguidamente, el nodo comandador revisa continuamente Ia Tabla de Riego y cuando corresponde, da Ia orden a cada nodo actuador para que abra o cierre las electroválvulas, bombas o inyectores del fertirrigador.

Para manejo del estado de los equipos de riego y mediciones de los sensores, en el nodo comandador se instaló un programa de Encuesta Periódica de estados de equipos y valores de sensores. Este programa, que opera como servicio del Sistema Operativo, requiere que para cada equipo o sensor encuestable se defina Ia periodicidad de medición, los rangos de normalidad y Ia acción o alarma a ejecutar en caso de detectar alguna anormalidad. Toda esta información se almacena en Ia base de datos, en una tabla de estados de equipos y variables de sensores. Este programa de Encuesta Periódica opera generando mensajes a los actuadores de terreno, a los que consulta por el estado de los equipos controlados o los valores medidos por los sensores conectados a ellos. El subsistema de alarmas analiza los valores recibidos y a partir de ellos evalúa y determina si corresponde o no Ia generación de alguna alarma relacionada con dichos valores. En Ia actualidad, con el Sistema de Automatización y Control de Riego operando rutinariamente, el administrador puede, desde el nodo comandador o cualquier PC conectado en red a éste, ver toda Ia información de los riegos realmente ejecutados, los valores históricos entregados por los sensores o los datos históricos de Ia estación meteorológica, todo esto en una única aplicación que permite revisar los valores almacenados en Ia base de datos del sistema, ya sea en formato de tabla o de gráficos, de acuerdo a Io que el administrador requiera.

Si el administrador observa que uno o más parámetros han cambiado su valor respecto de Io que él tenía considerado al momento en que estableció los Programas de Riego, puede inmediatamente revisar y editar los programas ya creados, para adecuarlos a este nuevo escenario. Incluso, el administrador puede establecer cambios automáticos a los programas de riego, si es que se detectan alteraciones en ciertos parámetros medidos por el sistema. Por ejemplo, si Ia humedad del suelo por efecto de una lluvia subió sobre un determinado umbral, no se efectúa el riego y se generan los mensajes de aviso que paramétricamente se definieron.

Cada vez que el nodo comandador detecta alguna anomalía; por ejemplo que Ia presión de agua está fuera de los rangos establecidos, que Ia humedad es exagerada o que una electroválvula no pudo abrirse, u otra causa y a partir de Io que se haya especificado en el subsistema de alarmas, el sistema genera Ia alarma correspondiente y ejecuta acciones especificadas, entre las que se encuentran: mensajes en pantalla, sonidos, envío de email o SMS al responsable de riego o Ia activación de una chicharra o sirena en Ia caseta del nochero. Será evidente para una persona experta en Ia técnica que son factibles varias otras variaciones en Ia invención dada a conocer sin desviarse del espíritu y alcance de Ia invención como por ejemplo: agregar una opción para controlar que durante el tiempo que los filtros se retrolaven, de estar activa Ia función de fertilización, ésta se desactive para no perder insumos de alto costo; agregar Ia factibilidad de operar otros sensores que en esta presentación no se hayan señalado; en el Procedimiento habilitar funciones adicionales o modelos matemáticos que permitan una administración más eficiente.