Modelo integrado para la toma de decisiones en procesos naturales por medio de internet de las cosas

Tesis de Graduación (Doctorado Académico en Ingeniería) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Área académica de Doctorado en Ingeniería, 2019Climate change has already shown its negative impact on agriculture and food production, particularly because of rainfall de cit or excess, temperature changes and other associated environmental variations. These events constitute a threat to food security in low and middle income economies, especially for those in the tropics. This document presents the major contributions obtained during the dissertation process in order to ful ll the last requirement of the Doctoral Program in Engineering, namely, the design of an estimation and decision-making model in natural processes through the measurement and multiprocessing of environmental variables by means of Internet of Things (IoT). Considering this objective, and taking into account that farmers traditionally only know and practice open-air horticulture, the incorporation of cultivation methods in protected environments, better known as greenhouses, is presented as a challenge, in such a way that both farmers as researchers can access technological tools of easy use and low cost for an appropriate decision-making with the aim to improve horticultural production. Given the above, a methodological procedure is established by means of a fuzzy logic controller that takes linguistic terms of daily use about the availability of water in the crops, electrical conductivity and pH of the drainage (collected and measured automatically). With this in mind, IoT is incorporated into scienti c research on vegetable crops in greenhouses with coconut ber substrate and this provides an autonomous decisionmaking system related to fertigation (fertilizers + water) that provides timely support to farmers and researchers. The designed system consists of electronic circuitry, sensors, mobile communication, actuators and a standalone fuzzy logic controller connected to an IoT platform. The functionality of the system was tested in a greenhouse, where the acquired data of drainage quantity, electrical conductivity and pH, are processed by the fuzzy logic controller taking into consideration criteria based on expert systems.Se ha demostrado ya el efecto negativo que el cambio clim´atico ejerce sobre la agricultura y la producci´on alimentaria, en particular por el exceso o d´eficit de precipitaciones, los cambios de temperatura y otras variaciones ambientales asociadas. Estos eventos constituyen una amenaza para la seguridad alimentaria en las econom´ıas de ingresos bajos y medios, especialmente para aquellas en el tr´opico. En este documento se detallan los aportes en el marco de la tesis del programa de Doctorado Acad´emico en Ingenier´ıa para el cumplimiento del objetivo de dise˜nar un modelo de estimaci´on y toma de decisiones en procesos naturales mediante la medici´on y multiprocesamiento de variables ambientales por medio de Internet de las Cosas (IdC). Ante este objetivo, y tomando en consideraci´on que tradicionalmente los agricultores solo conocen y ponen en pr´actica la horticultura a campo abierto, se presenta como un reto la incorporaci´on de m´etodos de cultivo en ambientes protegidos, mejor conocidos como invernaderos, de manera tal que tanto agricultores como investigadores puedan utilizar herramientas tecnol´ogicas de f´acil uso y bajo costo para la toma de decisiones que favorezcan la producci´on hort´ıcola. Dado lo anterior, se procede a establecer un procedimiento metodol´ogico por medio de un controlador de l´ogica difusa que toma en consideraci´on t´erminos ling¨u´ısticos de uso cotidiano sobre la disponibilidad del agua en los cultivos, conductividad el´ectrica y pH del drenaje (recolectado y medido autom´aticamente). Con esto en mente, se incorpora IdC en la investigaci´on cient´ıfica sobre cultivos de hortalizas en invernaderos con sustrato de fibra de coco y se provee de un sistema aut´onomo de toma de decisiones relacionadas con fertirriego (fertilizantes + agua) que brinda apoyo oportuno a agricultores e investigadores. El sistema dise˜nado se compone de circuiter´ıa electr´onica, sensores, comunicaci´on a trav´es de telefon´ıa celular, actuadores y un controlador aut´onomo de l´ogica difusa con conexi´on a una plataforma de IdC en la nube. La funcionalidad del sistema fue probada en un invernadero, donde los datos adquiridos de cantidad de drenaje, conductividad el´ectrica y pH de ´estos, son procesados por el controlador de l´ogica de difusa tomando en consideraci´on criterios basados en sistemas expertos