Uno de los casos de negocio más prometedores para los servicios en la nube y del Internet de las cosas (IoT) es la monitorización ambiental para ayudar a garantizar un entorno de crecimiento estable en interiores para el cultivo localizado de cosechas no autóctonas como frutas, frutos secos, verduras y hortalizas. Las redes de IoT conectadas a la nube permitirán el uso de sistemas eficientes de gestión previa y posterior a la cosecha para aplicaciones de horticultura y cultivos de interior, e impulsarán el nacimiento y el crecimiento de una industria de CEA - Controlled Environmental Agriculture (Agricultura Ambiental Controlada) a gran escala que sea ética, sostenible y, en última instancia, rentable. Estos sistemas aprovecharán los sensores IoT que miden e informan continuamente de los datos ambientales, además de activar acciones o comandos cuando se requieran ajustes. Los cultivadores tendrán que entender las mejores prácticas para especificar y desplegar estos sistemas, incluyendo el requisito crítico de que implementen tecnologías de encriptación y autenticación para que los hackers no puedan tomar el control para dañar las operaciones o robar datos valiosos.

El caso del cultivo localizado y en interiores

Antes de estudiar cómo desarrollar sistemas de cultivo localizados y conectados a la nube, es importante comprender las posibles ventajas del cultivo en interiores. Los tres beneficios principales son:

1. Más disponibilidad de productos
La demanda global de frutas, frutos secos, verduras y hortalizas que no son nativas de una geografía específica puede ser abordada más rápida y eficientemente si estos cultivos se cultivan localmente en esa geografía. También contribuirá a reducir el kilometraje de los alimentos: aunque esto no haga que las operaciones sean menos intensivas en carbono, sin duda ayudará a aumentar la seguridad alimentaria y la disponibilidad de productos que, de otro modo, se transportarían a largas distancias desde otro lugar. Otros beneficios secundarios son la ampliación de la temporada de cultivo, que hace posible que un determinado cultivo alimentario esté disponible 12 meses al año, y la capacidad de mantener una producción alimentaria global eficiente a pesar de las condiciones climáticas erráticas de la Tierra.

2. Reducción de la destrucción del habitat
Un aumento de la CEA o de los cultivos de interior no cerealistas también podría reducir la destrucción del hábitat. Aunque esto pueda resultar controvertido, hay razones de peso por las que la agricultura suele pasarse por alto como amenaza para los hábitats y el medio ambiente, ya que la mayor parte de la atención se centra en el desarrollo de la tierra y la deforestación por parte de la industria maderera. Según el WWF - World Wide Fund for Nature (Fondo Mundial para la Naturaleza), "la Tierra pierde 18,7 millones de acres de bosques al año" basándose en estos tres factores principales y "alrededor del 50% de las tierras habitables del mundo se han convertido en tierras de cultivo". Los principales usos de la tierra incluyen el pastoreo y el refugio del ganado, las operaciones agrícolas masivas y el cultivo de verduras y granos para el consumo humano, con más de un tercio dedicado a la producción de cultivos para la alimentación del ganado, como el maíz, la cebada, la avena, el sorgo y la soja. Cada vez está más claro que las técnicas agrícolas que consumen grandes cantidades de tierra son insostenibles.

3. Dietas más saludables
Además de reducir la cantidad de tierra necesaria para las técnicas agrícolas tradicionales, la CEA y el cultivo de interior pueden ayudar a fomentar dietas más saludables. Es un hecho médico ya establecido que, aunque los humanos son omnívoros, les va mejor con una dieta que se inclina hacia una mezcla de verduras, frutas y frutos secos con un consumo reducido de carne. La adopción generalizada de esta dieta conllevará una reducción significativa de la producción de alimentos para el ganado y, por tanto, permitirá un cambio fundamental hacia la creación de un estilo de vida sostenible para la población mundial. Además, esto podría reducir la cantidad de ganado que se cría, lo que podría reducir las necesidades de transporte de alimentos y reducir las emisiones de GHG – GreenHouse Gas (gases de efecto invernadero). Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), la ganadería mundial produce emisiones de GHG que representan el 14,5% de todas las emisiones antropogénicas, o inducidas por el hombre, de GHG.

La CEA y los cultivos de interior a gran escala están en sus inicios. Mientras que el enfoque más común es desplegar estructuras de interior, como invernaderos, en amplias extensiones de terreno, hay una tendencia creciente hacia la construcción de estructuras de cultivo vertical a medida, incluyendo fábricas o almacenes reutilizados que contienen varias plantas. Esto permite un uso más eficiente y pragmático de los bienes inmuebles y del terreno para el crecimiento de cultivos no cerealistas. La agricultura vertical también es adecuada para la cría de aves de corral como fuente potencialmente más viable de carne.

Existen varios requisitos previos para llevar a cabo un cultivo CEA y de interior a gran escala. La reproducción y el mantenimiento de las condiciones autóctonas exigen que el cultivador controle regularmente parámetros como el calor, la iluminación artificial, la humedad, la humedad del suelo y, en el caso de la hidroponía/aeroponía, los nutrientes del agua. Los productores serios tendrán muchos edificios que albergan entornos cerrados, cada uno de los cuales debe estar optimizado para estas condiciones de crecimiento. Esto requiere el uso de un sensor conectado a la nube, o sensores para medir continuamente los niveles de las condiciones ambientales a lo largo del tiempo y reportar los datos a una estación central de monitorización.

Mejores prácticas para el despliegue del Sistema

El primer paso es crear un registro de las condiciones exteriores nativas o no nativas que se utilizará como punto de referencia para realizar los ajustes ambientales necesarios según el caso.

A continuación, hay que tomar una decisión sobre el tipo de red que se va a desplegar. Con la creciente disponibilidad del IoT para la conexión de sensores, tiene sentido desplegar una red gobernada por un concentrador o pasarela central que se comunique con un controlador u ordenador local (véase la figura 1). El controlador se utiliza para subir los datos a la nube para su posterior análisis. La nube puede ser propia u ofrecida como servicio por un proveedor establecido o emergente.

Un agricultor puede decidir que no es necesario reaccionar instantáneamente a los datos de los sensores. En estos casos, la nube puede emitir órdenes o acciones en el plazo que se considere aceptable. Sin embargo, si se requiere una latencia mínima o nula entre el momento en que se envían los datos de los sensores y el ordenador central emite una acción o una orden, el cultivador/productor puede dar el paso intermedio de utilizar un controlador edge entre la pasarela y la nube para acelerar el tiempo desde el análisis hasta la acción. En última instancia, cuanto más preciso sea el control del entorno, mejor crecerá el cultivo.

La implementación del edge computing puede dividirse en secciones de back-end y front-end, cada una de las cuales desempeña un papel importante en la optimización de la producción de cultivos del entorno cerrado. La sección back-end contiene los elementos de edge computing y cloud computing, mientras que la sección front-end contiene los elementos de la red de sensores y la pasarela. Surgirá un ecosistema de proveedores de hardware e integradores de sistemas para suministrar todos los elementos necesarios para apoyar esta arquitectura de soluciones para un número creciente de implementaciones y casos de uso de IoT en diversas industrias. Un elemento especialmente importante es la red de sensores, ya que se situará lo más cerca posible del cultivo y se encargará de vigilar su entorno y recoger los datos para transmitirlos a la pasarela. También es crucial que cada uno de los numerosos nodos sensores individuales sea sencillo, fiable, de fácil mantenimiento, que funcione con muy poca energía para prolongar la vida de la batería y que pueda comunicarse con la pasarela y, en última instancia, con el proveedor de servicios en la nube mediante diversos métodos de conectividad inalámbrica.

El elemento de conectividad inalámbrica preferido será el Bluetooth® Low Energy (BLE) o el nuevo estándar 802.11ah de bajo consumo Wi-Fi®. Esto garantizará que las soluciones puedan operar en bandas sin licencia y comunicarse a través de las distancias típicas de 10 a 100 metros (m) de cultivo en interiores. El estándar 802.11ah tiene el mayor alcance, hasta 1 kilómetro (km). Las velocidades de datos de BLE y Wi-Fi 802.11ah son de 10 kilobits por segundo (Kbps) a 10 Mbps y de 50 Kbps a 100 Kbps, respectivamente, lo que proporciona un amplio ancho de banda para los diversos datos de los parámetros que se miden.

Es esencial que el nodo sensor cuente también con una seguridad robusta. Como en cualquier negocio, habrá muchos agricultores o grandes conglomerados que se involucren en el cultivo de interior o en la industria de la CEA a gran escala. Cualquier información que pueda ayudar a un proveedor a obtener una ventaja competitiva sobre otro significa mayores ingresos y beneficios. El deseo y la capacidad de hackear una red inalámbrica para adquirir datos que proporcionen esta ventaja están ampliamente aceptados, reconocidos y comprendidos. La mejor manera de mitigar el riesgo es con una solución basada en hardware que pueda cifrar, así como autenticar tanto los datos como el nodo. Los enfoques de firmware o software son ampliamente reconocidos como vulnerables a los hackers.

Los diseñadores y fabricantes de nodos sensores basarán sus ofertas en soluciones de silicio que ayuden a que el diseño del sistema terminado sea fácil de usar, modular y actualizable, con un funcionamiento de bajo consumo, una seguridad robusta y la flexibilidad para soportar las opciones de conectividad inalámbrica necesarias. Estos proveedores también colaboran activamente con destacados proveedores de servicios en la nube. Si la solución debe ser agnóstica a la nube, el proveedor debe ser capaz de configurar la solución para que se comunique con una nube propia con todas las capacidades requeridas.

Un ejemplo de este tipo de solución son las plataformas de desarrollo Google Cloud IoT Core que ofrece Microchip Technology (véanse las figuras 2 y 3). Las placas de desarrollo combinan un microcontrolador, un elemento seguro y un controlador de red Wi-Fi totalmente certificado para ofrecer la forma más sencilla y eficaz de conectar nodos de sensores a la plataforma Cloud IoT Core de Google. Los usuarios pueden realizar una conexión directa a Google Cloud, pre-aprovisionada con una cuenta sandbox gratuita, o a un entorno de pruebas virtual, para ver los datos de luz y temperatura. Se pueden conectar sensores adicionales de forma opcional mediante el uso de placas complementarias Click™ de MikroElektronika ampliamente disponibles que facilitan la incorporación de capacidades a un diseño.

Una forma mejor de alimentar al planeta
La CEA y los cultivos de interior ofrecen la promesa de una producción global de alimentos más segura, fiable y eficiente en una huella geográfica significativamente menor que la que permiten los métodos de cultivo tradicionales. Para hacer realidad esta promesa se necesita una tecnología de control ambiental que, a gran escala, pueda garantizar un entorno de cultivo interior estable para los cultivos no autóctonos. Entre las más importantes de estas tecnologías se encuentra la red de sensores que recoge y transmite los datos de los sensores de monitorización ambiental hacia y desde la nube para su procesamiento y análisis. Se han introducido soluciones de desarrollo rápido con los principales proveedores de la nube para satisfacer estos requisitos, proporcionando formas sencillas y flexibles de apoyar una variedad de aplicaciones y casos de uso de CEA y de cultivo en interiores.

Agricultura de Ambiente Controlado (CEA-): Un enfoque basado en la tecnología para la producción de alimentos. El objetivo de la CEA es proteger y mantener las condiciones óptimas de crecimiento de un cultivo durante todo su desarrollo. La producción tiene lugar en una estructura de cultivo cerrada, como un invernadero o un edificio. Las plantas suelen cultivarse con métodos hidropónicos para suministrar las cantidades adecuadas de agua y nutrientes a la zona de las raíces. La CEA optimiza el uso de recursos como el agua, la energía, el espacio, el capital y la mano de obra. Las tecnologías CEA incluyen la hidroponía, la acuicultura y la acuaponía. Las variables controlables son: Temperatura (aire, solución nutritiva, zona de raíces); humedad (%RH); dióxido de carbono (CO2); luz (intensidad, espectro, intervalo); concentración de nutrientes (partes por millón, o PPM, y conductividad eléctrica, o EC); fertilizantes; y pH de los nutrientes (acidez). Las instalaciones de CEA pueden ir desde invernaderos totalmente automatizados con controles informáticos para el riego, la iluminación y la ventilación, hasta soluciones de baja tecnología, como películas o cubiertas de plástico, denominadas claustros, que se colocan sobre los cultivos en el campo, y túneles cubiertos de plástico.