SISTEMA AUTOMÁTICO DE CARACTERIZACIÓN DE SUELOS
OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención, tal y como se expresa en el título de esta memoria descriptiva, consiste en un sistema automático multisensorial para la caracterización a distancia de un suelo, principalmente de cultivo, que permite determinar la proporción de sus distintos componentes químicos. El sistema analiza los datos recogidos y establece automáticamente la calidad del suelo permitiendo una actuación rápida sobre el terreno en caso de producirse cualquier perturbación o variación de las condiciones deseadas. Estas perturbaciones pueden poner en peligro no sólo cultivos, en caso de ser suelos agrícolas, sino, en general, producir a medio y largo plazo un efecto irremediable en la biomasa y la actividad microbiana, estrechamente relacionadas con la fertilidad del suelo. Debido a que, generalmente, los suelos de cultivo se encuentran alejados geográficamente de los expertos agrónomos, la implementación de un sistema autónomo de obtención de información y de transmisión remota de datos favorece la supervisión y/o control de extensas áreas.
El sistema en su conjunto consta de una paite de extracción y transmisión de datos, que estará situada en los terrenos bajo estudio, y otra parte de recepción y gestión de los mismos. En concreto, es el mecanismo de extracción de la información sobre las condiciones de un terreno lo que resulta novedoso.
Este sistema integra en un solo equipo un conjunto de sensores, tantos como sean necesario para el objetivo del estudio del suelo, que puede ser ampliado, en función de las necesidades, de forma sencilla sin la intervención de especialistas. Esta integración sensorial abarata el coste del estudio y mejora el tiempo de medida.
Puesto que, en la mayoría de los casos, los terrenos a estudiar se encuentran alejados de la fuentes de energía convencionales, se ha diseñado un sistema autónomo que puede autoabastecerse de energía solar. Las comunicaciones entre el dispositivo de extracción de datos y el de recepción y gestión tiene lugar mediante telefonía fija o móvil, dependiendo de las necesidades de la aplicación.
Una característica esencial del sistema es su facilidad de uso ya que no requiere ninguna manipulación por parte de expertos en informática o electrónica lo que facilita su manejo a un trabajador agrícola sin especialización.
El objetivo final de este sistema es permitir que un grupo de expertos en edafología y agricultura puedan analizar las condiciones en que se desarrollan los cultivos de extensas zonas geográficas con fines científicos, estadísticos o de asesoría de forma automática y con los menores costes posibles.
ANTECEDENTESDELAINVENCIÓN
En la actualidad, la operativa habitual para caracterizar un suelo consiste en el análisis en laboratorio de una muestra de suelo en momentos de tiempo puntuales. El solo traslado de la muestra implica una perturbación de la misma. Además, el tiempo transcurrido entre la extracción de la muestra y su análisis y posterior obtención de resultados introduce una incertidumbre sobre las condiciones en tiempo real del suelo. La bibliografía estudiada sobre el tema aporta únicamente información sobre estudios de muestras en laboratorio usando sensores específicos y la integración de los datos obtenidos de ellos se lleva a cabo manualmente y en un tiempo siempre posterior, quedando los datos obsoletos con respecto a las condiciones presentes en el terreno muestreado.
La invención que representa el sistema que se presenta en esta memoria tiene como finalidad solventar los inconvenientes existentes en las soluciones actuales, ya que propone un sistema de extracción de información multisensorial continua, integrado en un solo equipo, situado en el suelo a analizar y que transmite de forma remota dicha información a un dispositivo de control.
El dispositivo de control o parte del sistema encargada de la recepción y gestión de los datos se encuentra desarrollada y recogida en la patente "Dispositivo para sistemas de telemedida y/o telecontrol" de Spin Off Technology, S. L., con número de publicación 2176125 y número de solicitud 200101789, con fecha de presentación 17.01.2001 y fecha de concesión 8.01.2004. Esta misma empresa, Spin Off Technology, S.L., es co- solicitante de la invención descrita en esta memoria.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema automático de caracterización de suelos se compone de dos partes: el Segmento de Control y el Segmento Remoto.
El Segmento de Control consta fundamentalmente de un ordenador que realiza el seguimiento de uno o múltiples Segmentos Remotos. Para ello debe disponer de conexión a Internet y un software específico para configurar los equipos remotos que están a su cargo. Las comunicaciones con el Segmento Remoto siguen un protocolo específico de transmisión de paquetes TCP/IP que pueden estar encriptados, según las necesidades del usuario, por lo que el uso del software apropiado es absolutamente necesario. Dependiendo de la configuración final del Segmento Remoto la conexión del centro de control y del sistema remoto puede ser bien continua, bien a petición del centro de control o periódica gobernada por el sistema remoto. La elección de una de las tres posibilidades depende fundamentalmente de la disponibilidad o no de fuente de energía y de los costes permitidos en las comunicaciones. Puede también pasarse de un modo a otro de forma dinámica según las necesidades. En el tercer modo, puede además descargarse la información acumulada por los sensores desde el sistema remoto al centro de control en forma de correo electrónico. Una vez recibido el correo con los datos, el centro de control puede almacenarlos y procesarlos de la forma más conveniente. Todas las posibilidades de configuración del sistema remoto son gobernadas por el centro de control.
El Segmento Remoto consta de un dispositivo de comunicaciones, que se encarga de gestionar todas las comunicaciones con los módulos de sensores o actuadores, a través de un canal serie que utiliza un protocolo específico de transmisión de paquetes, tiene una alta inmunidad al ruido y permite largas distancias de cable. El protocolo del canal serie tiene un mecanismo de asignación dinámica de direcciones, que permite informar al centro de control de cuándo un módulo ha sido añadido o quitado del canal. El dispositivo de comunicaciones tiene una serie de parámetros controlados por el centro de control y que son: clave para realizar comunicaciones encriptadas, fecha y hora, fecha y hora de la siguiente conexión, tiempo entre conexiones, pin, si las comunicaciones se realizan a través de un MODEM GSM o GPRS, comandos de configuración del MODEM, número de teléfono del servidor de acceso a Internet (ISP), nombre de usuario de acceso al ISP, contraseña de acceso, dirección IP y puerto del servidor del centro de control, dirección IP y puerto de un servidor alternativo al
anterior, dirección IP del servidor SMTP para el envío de correo electrónico, dirección IP del servidor POP para la recepción de correo electrónico, nombre de usuario y contraseña del servidor POP, numero de intentos de conexión permitidos, modo de conexión con el centro de control, modo de actualización de los datos (correo electrónico o no) y modos de ahorro de energía. Además de estos parámetros el dispositivo de comunicaciones dispone de información sobre eventos ocurridos durante períodos de desconexión, módulos actualmente conectados a él y diversos tipos de errores generados, pudiendo informar al centro de control de las incidencias habidas. Al canal serie se le conectan un numero variable de módulos que son los sensores y/o actuadores que intervienen en una aplicación concreta. En general, cada módulo estará compuesto por uno o varios sensores y/o actuadores y una interfaz con el canal serie pudiendo estar el/los sensores-actuadores y la interfaz integrados en un mismo alojamiento o no. La labor de la interfaz es convertir las señales físicas del sensor en señales del canal serie, además de proveer del protocolo adecuado de comunicaciones. Los módulos deben además suministrar, cuando sea posible, mecanismos de ahorro de energía, un sistema de asignación dinámica de direcciones de canal y, cuando sea necesario, algún mecanismo de registro de datos.
Todo el sistema remoto necesita de una fuente de energía cuya capacidad depende fuertemente del consumo de los módulos conectados. En general, se necesita una fuente de energía y un conversor para adaptarla a los niveles requeridos por el sistema. Opcionalmente, la fuente de energía puede ser un panel solar fotovoltaico con sus correspondientes acumuladores.
Para la determinación de la concentración de gases presentes en una muestra de suelo sometida a estudio se utiliza un dispositivo que, básicamente, remueve la tierra por medio de unas cuchillas que giran en una cámara donde se acumulan los gases emanados para que los distintos sensores puedan determinar su grado de concentración. El dispositivo consta de una plataforma de forma triangular con los vértices redondeados para evitar posibles daños, con tres tornillos ajustables, uno en cada vértice, que se anclan en el terreno para adaptarse al nivel del suelo y evitar el giro del dispositivo.
Sobre esta plataforma se monta un tubo de 150 mm de diámetro que conforma la cámara donde se acumulan los gases, que se pueden desprender del terreno, y donde se disponen los sensores para los parámetros que se pretenden analizar. En el interior de
esta cámara hay dos cuchillas que giran solidarias con un eje activado por un motor y que son las encargadas de remover la tierra. Este eje se acopla a la plataforma por medio de un casquillo guía y al motor por medio de unos engranajes. Para permitir que las cuchillas giren en distintas profundidades, y así remover la tierra de toda la cámara, el dispositivo consta de un segundo eje con un motor acoplado a él mediante un engranaje que, al girar, hace avanzar todo el conjunto del eje y cuchillas para profundizar en la muestra de tierra. El movimiento de los dos motores está sincronizado y permite remover toda la tierra. Sobre la plataforma también se montan los dispositivos de control necesarios. Una vez realizado el proceso de remover la tierra se espera un período de tiempo para permitir la liberación de gases y se procede a realizar la lectura de los sensores de gas. El resto de los sensores también se muestrea en este momento para tener todos los datos tomados en el mismo instante de tiempo. El dispositivo descrito permite una medida precisa de los gases que se encuentran mezclados con la tierra a distinta profundidad, lo que permite conocer la evolución de la concentración de los gases objeto de control. Una vez transmitidos los datos recogidos relativos a las condiciones del suelo, éstos pueden ser procesados mediante técnicas de minería de datos que permitirán caracterizar el suelo, predecir la evolución de los parámetros característicos del mismo y, por tanto, evaluar las posibles acciones correctivas a llevar a cabo sobre el mismo.
BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS
Figura 1- Estructura del dispositivo acoplador para la captura de gases emitidos por una muestra de tierra. Figura 2- Estructura de bloques de las partes constituyentes del denominado Segmento Remoto.
DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN A continuación se describe una típica aplicación en la que se medirá la concentración de Oxígeno y Dióxido de Carbono emitido por el terreno de muestra. El acoplador (I) (Figuras 1 y 2) entre la tierra y los sensores de concentración o captación (Gl..Gn) estará parcialmente enterrado a la profundidad deseada y los sensores (Gl..Gn) conectados de tal forma que puedan recibir las emanaciones de gas. Alrededor de este
conjunto se sitúan otros sensores (Hl..Hn) entre los que se pueden encontrar: sensor de humedad relativa, temperatura, fotómetro, higrómetro, sensor de humedad y ph. El número y tipo tanto de los sensores de concentración (Gl..Gn) como del resto de sensores (Hl..Hn) se pueden determinar en función de los objetivos del estudio que se lleve a cabo del terreno (control biológico de patógenos dependientes de la temperatura y la humedad para conocer la fertilidad del suelo, exceso de fertilización orgánica o inorgánica para mejorar el crecimiento de un cultivo, etc).
Para la provisión de energía eléctrica se sitúa junto al sistema una placa de energía solar fotovoltaica (A) de Im2 de superficie conectada a un regulador (B) para recargar unas baterías de 12V con las que alimentar todo el conjunto. Para las comunicaciones con la central de control, el dispositivo remoto de comunicaciones (C) incorpora un MODEM GSM o GPRS (D) en formato tarjeta PCMCIA con la antena (E) incorporada. Todo el conjunto debe protegerse lo suficiente como para soportar distintas condiciones atmosféricas. Repartido por el terreno en cuestión y formando una malla se sitúan otros sistemas similares para cubrir todo el terreno. Toda la información, una vez recogida y procesada, permitirá a los expertos hacerse una idea bastante aproximada de las condiciones en las que se está desarrollando el suelo en estudio. En esta aplicación, las variaciones de los valores medidos son lentas y los cambios suelen apreciarse en minutos por lo que el período de muestreo puede variar entre 1 y 255 minutos. Una memoria no volátil incorporada en cada módulo sensor (Hl..Hn, Gl..Gn) podrá almacenar los valores registrados de cada sensor durante una semana. Esta información junto con la fecha de inicio del registro y el período de muestreo permiten recomponer en el centro de control los instantes en los que se han recogido los datos. El dispositivo de comunicaciones remoto (C) se configura para que semanalmente y en una hora de tarifa baja, se conecte al servidor SMTP previsto y envíe todos los datos almacenados en los módulos sensores. Una vez realizado esta operación, los módulos sensores tendrían su memoria vacía para irse llenando durante toda la semana siguiente. Al centro de control le llegará un correo electrónico con un fichero adjunto que contiene los datos semanales de los sensores. Un software específico se encargaría de traducir estos datos al formato adecuado para almacenarlos en una base de datos. Posteriormente a su almacenamiento, los expertos podrán analizar los datos junto con los modelos
extraídos mediante técnicas de minería de datos para emitir un informe de recomendaciones o con fines estadísticos.
Inmediatamente después de enviar con éxito el correo electrónico con los datos, el dispositivo de comunicaciones (C) comprueba si hay correo pendiente en el servidor POP que tenga asignado y, si es así, lo descarga y lo procesa enviando a los módulos los datos de configuración nuevos. Una vez completadas estas operaciones con éxito se procede a la desconexión del ISP.
El proceso de producción de gases se realiza con el dispositivo (I), descrito en la Figura 1, que remueve la tierra por medio de unas cuchillas (1) que giran en una cámara (2) empotrada en el suelo que se quiere estudiar. Este dispositivo consta de una mesa (3) de forma triangular con tres tornillos (8) ajustables que introducidos en el terreno impiden al conjunto girar y además permite que éste se ajuste la profundidad de medición. Sobre esta mesa (3) se monta una cámara (2) de forma cilindrica con objeto de que se acumulen en ella los gases emanados y donde se acoplan los sensores (9). En el interior de esta cámara se encuentran las cuchillas (1) que giran alrededor del eje (5) gobernado por el motor (7). Para permitir el giro de las cuchillas (1) a diferentes profundidades se dispone de un segundo eje con motor (11) acoplado mediante el engranaje (12) que al girar hace avanzar todo el conjunto del eje de giro (5) de las cuchillas (1). El movimiento de los dos motores (11, 7) se realiza sincronizado y permite remover toda la tierra.
El proceso de remover la tierra se realiza con anterioridad a la medición y con suficiente tiempo para que los gases se acumulen en la cámara (2).