AGRICULTURA DE PRECISIÓN DE UN

INVERNADERO A TRAVÉS DE VIRTUALIZACIÓN Y

COMUNICACIÓN IOT

DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i6.15304

Hernan Vinicio Morales Villegas1

hvmorales@espe.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-8211-1238

Universidad de las Fuerzas Armades “ESPE” Ex-

tensión Latacunga

Douglas Joel Orozco Morocho

djorozco@espe.edu.ec

https://orcid.org/0009-0009-6064-5277

Universidad de las Fuerzas Armades “ESPE” Ex-

tensión Latacunga

Ian Saúl Duque Fernandez

isduque@espe.edu.ec

https://orcid.org/0009-0002-6208-4062

Universidad de las Fuerzas Armades “ESPE” Ex-

tensión Latacunga

RESUMEN

Este proyecto se centra en la agricultura de precisión mediante el control de la humedad en un inverna-

dero virtualizado, integrando la tecnología de Internet de las Cosas (IoT) para optimizar el crecimiento

de los cultivos. A través de sensores, se realiza un monitoreo constante de la humedad, proporcionando

diversos tipos de cultivos eliminando errores y a la vez optimizando recursos.

Palabras clave: agricultura de precisión, control, automatización, virtualización, iot,

Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec

rated that collects data and relays it to a server that stores and analyzes it in order to precisely control

and protect crops against pests and diseases, thus maintaining their health and quality. This reduces the

need for constant human intervention. The virtualization of the greenhouse allows simulating different

environmental conditions, which helps to determine the best humidity settings for different types of

crops, eliminating errors and optimizing resources.

Key words: precision agriculture, control, automation, virtualization, iot

la gestión de datos y el análisis de toma de decisiones de gestión agrícola, con el objetivo de mejorar la

productividad, la sostenibilidad y la rentabilidad de la producción agrícola al reducir el uso de recursos

humanos y económicos [1]. El crecimiento económico se caracteriza por una transformación estructural,

siendo la agricultura el motor principal de este proceso. La erradicación del hambre y la malnutrición es

crucial tanto para la modernización agrícola como para el desarrollo económico [2]. Las técnicas de la

agricultura de precisión han suscitado un gran interés entre los agricultores debido a la amplia disponi-

bilidad de sensores inalámbricos basados en el Internet de las cosas (IoT), que son económicos y de bajo

consumo [3]. Los sensores inalámbricos permiten un monitoreo continuo de los cultivos con una preci-

sión mejorada y, lo que es aún más crucial, tienen la capacidad de detectar las primeras etapas de con-

diciones no deseadas. Esta es la razón por la cual la agricultura moderna involucra el uso de herramientas

tanto a la estabilidad de los agricultores como al cuidado del medio ambiente [6]. Para promover la

sostenibilidad ambiental, es fundamental fomentar el consumo de una proporción significativa de los

alimentos producidos con el fin de prevenir o reducir el desperdicio alimentario y sus consecuencias

adversas. El desperdicio de alimentos no solo resulta en la pérdida de recursos, sino que también con-

tribuye a la emisión de gases de efecto invernadero en los vertederos [7]. La relación entre la agricultura

y factores como el crecimiento de la población, el cambio climático y la sostenibilidad ha impactado

significativamente en el panorama agrícola. Ante la necesidad de alimentar a una población mundial en

constante aumento, se requiere el desarrollo de tecnologías agrícolas innovadoras, como sistemas avan-

zados de gestión de cultivos, para aumentar la productividad y asegurar la seguridad alimentaria [8]. En

países tanto desarrollados como en vías de desarrollo, garantizar la seguridad alimentaria implica la

mas de riego convencionales requieren mano de obra y son sensibles a las condiciones climáticas. La

escasez de lluvia afecta la cosecha. Aunque las tecnologías de riego buscan mejorar la productividad, su

uso excesivo de agua plantea riesgos para el futuro [10].

El Internet de las cosas (IoT), posibilita una implementación completa de la agricultura de precisión.

Esto ayuda a reducir los recursos asociados, al mismo tiempo que generan un volumen significativo de

datos que facilitan la monitorización de los cultivos y la detección temprana de enfermedades en los

cultivos [11]. Las redes de IoT están transformando la monitorización y gestión de operaciones agrícolas

al recopilar datos en tiempo real, la IoT en la agricultura implica la integración de sensores, comunica-

ción y procesamiento de datos para una gestión agrícola holística [12]. En el siguiente nivel, las puertas

de enlace de IoT gestionan los flujos de datos entre diferentes redes y protocolos, facilitando la comu-

embargo, un desafío importante es la conectividad limitada en las zonas rurales. Por ello, una viable

opción es llevar los ordenadores con información más cerca de donde se encuentran los cultivos [15].

Los beneficios potenciales de la cuarta revolución agrícola para la productividad y el medio ambiente

podrían verse reducidos si no se distribuyen equitativamente los beneficios sociales. Por ello es crucial

entender el concepto de agricultura de precisión y sus componentes para garantizar un desarrollo justo

entre los diferentes sistemas agrícolas. Ignorar estas cuestiones podría resultar en la creación de más

problemas sociales de los que se resuelven [16].

y los pesticidas, contribuyendo así a la sostenibilidad ambiental y económica. La monitorización y con-

trol de la humedad del suelo y la fumigación automatizada son aspectos clave para garantizar un creci-

miento óptimo de los cultivos y prevenir plagas y enfermedades.

El PLC Siemens S7-1500 AC/DC/Rly se destaca por su robustez y capacidad para adaptarse a entornos

industriales exigentes, lo que lo convierte en la elección ideal para este proyecto. Además, el uso del

software TIA Portal de Siemens proporciona una plataforma de programación versátil y fácil de usar, lo

que facilita el desarrollo y la implementación del sistema.

El proceso de conceptualización para el desarrollo del control en conjunto con el simulador de realidad

virtual se presenta en la Figura 1. Este proceso se divide en cinco bloques que estructuran conjuntamente

el sistema de control y el entorno virtual.

tienen las variables con las que trabajará el proceso y se definen las fuentes que se utilizarán para el

sistema, se crea el entorno virtual. Se utiliza un entorno creado en el software Blender, que permite crear

entornos virtuales interactivos con gran detalle y realismo. La simulación en Unity proporciona una

representación visual precisa del funcionamiento del sistema en diferentes condiciones, facilitando la

evaluación de su desempeño y la identificación de posibles mejoras antes de la implementación en el

invernadero real. Unity también permite la integración de elementos de realidad virtual y aumentada,

ofreciendo una experiencia inmersiva que puede ser útil para el entrenamiento del personal y la toma de

decisiones. iv) Controlador. Para el desarrollo del controlador, se utiliza una programación en lenguaje

Ladder ejecutada y realizada en el software TIA Portal, el cual define la forma en que se comportará el

sistema, así como las variables que este tendrá. v) El entorno. Este bloque consta de un subproceso que

facilita el monitoreo remoto, sino que también abre la puerta a análisis avanzados de datos y la imple-

mentación de algoritmos de aprendizaje automático para mejorar aún más la eficiencia y la productivi-

dad agrícola.

Figura 1. Esquema del proceso

En este contexto, la programación del PLC mediante el lenguaje Ladder se ha convertido en un compo-

nente esencial para lograr un control preciso y eficiente.

El proceso de control para la bomba de fertilizante se ha diseñado de manera automática, donde se

establece un tiempo específico de funcionamiento repitiéndose en un periodo de tiempo establecido.

Este enfoque asegura una aplicación adecuada del fertilizante sin intervención directa, mejorando la

eficiencia del proceso y optimizando el uso de insumos.

El control de la bomba de agua presenta una lógica más compleja basada en la retroalimentación del

sensor de humedad. El sistema responde dinámicamente a las condiciones del suelo, activando la bomba

intervalo, el sensor aún indica niveles de humedad bajos, el sistema sigue activando la bomba en ciclos

establecidos hasta alcanzar el valor deseado.

La adaptabilidad del sistema permite una gestión eficiente del riego, evitando el desperdicio de agua y

garantizando que las plantas reciban la cantidad necesaria en función de sus necesidades. La respuesta

dinámica del control de la bomba de agua a las condiciones cambiantes del suelo demuestra la capacidad

del sistema para adaptarse y ajustarse en tiempo real.

La implementación exitosa de un sistema de control mediante la herramienta SIMATIC WinCC, inte-

grada en el software TIA Portal, ha demostrado ser un componente esencial para la gestión eficiente y

segura de procesos industriales. En este contexto, se estableció un control de usuarios que garantiza la

seguridad y optimización del monitoreo y control del proceso.

sobre el estado operativo del sistema. Los usuarios pueden acceder a datos cruciales como tiempos de

funcionamiento y el estado de las bombas (encendido o apagado) de manera instantánea. Esta funciona-

lidad agrega un nivel de transparencia que facilita la toma de decisiones informadas y la identificación

rápida de posibles problemas en el proceso.

El cumplimiento exitoso de la programación detallada para cada bomba, junto con la eficiente entrega

de datos en la Interfaz Hombre-Máquina (HMI), marcó el siguiente paso crucial en nuestro proyecto.

Para proporcionar una perspectiva más completa y visual del sistema, se optó por la virtualización uti-

lizando el software Blender, una herramienta que nos permite crear una representación virtual precisa

de nuestro proceso.

tamiento del sistema en el mundo real.

Diseño de entorno virtual

El diagrama multicapa representado en la Figura 2 detalla los pasos necesarios para la creación del

simulador, los cuales se dividen en tres etapas distintas: Capa 1: En esta fase inicial, se procede al

desarrollo de los modelos 3D. Utilizando el software Blender, adecuado para el modelado CAD de pro-

totipos, se elabora el modelo del sistema de riego. Posteriormente, estos modelos se exportan en un

formato compatible con Unity (.obj). Capa 2: La segunda etapa se enfoca en la programación del simu-

lador en realidad virtual, llevada a cabo en el software Unity. Aquí, se importan los modelos previamente

desarrollados del sistema de riego y del entorno. Se definen las características de animación de cada

modelo y se programan los scripts de animación, incluyendo aquellos destinados a la animación del

3. Resultados y discusión