Descripcion y Objetivos

El problema de la falta de agua es global y preocupante, tanto en ciudades como en zonas rurales. En estas últimas, debido a las escasas precipitaciones y planes de riego tradicionales, el problema es enorme, ya que repercute directamente en la agricultura y, por tanto, en la sociedad en general. Es fundamental proponer soluciones tecnológicas basadas en el Internet de las Cosas (IoT) utilizando sensores del suelo que pueden determinar las distintas necesidades de nutrientes y agua de los cultivos y ajustar el riego y el suministro de fertilizantes en consecuencia. Además, los datos recogidos con estos sensores den enviarse de forma robusta y fiable a un servidor donde se analicen y se puedan planificar nuevos planes de riego y utilización del agua.

El primer paso para colaborar en resolver este importante problema empieza por el estudio de los nuevos estándares de red de bajo consumo y largo alcance (Low-Power Wide Area Networks, LPWAN)  para comprobar si son eficaces en entornos rurales y con el envío de los datos que devuelven los sensores IoT de suelo.

Por tanto, el objetivo principal de este TFM será realizar un análisis exhaustivo del estado del arte de los estándares comunicación inalámbrica LPWAN, se estudiarán los estándares para ser desplegados en el medio rural con fines de control y monitorización de procesos agrícolas. Estos incluirán estándares de red tales como NB-IoT, LoRaWAN, Mioty, DASH7 o Wize. Se llevará a cabo un estudio teórico (estudio comparativo en base a rango de comunicación, inmunidad ante distintas fuentes de interferencia, seguridad, etc.) así como experimental (análisis de prestaciones, consumo energético y vida útil, tasas de entrega de paquetes, calidad de la señal, etc.). Este objetivo puede desglosarse en las siguientes opjetivos parciales:

- Objetivo 1. Estado del arte de las redes de conectividad inalámbrica en el medio rural en el contexto de las LPWAN. Estudio de soluciones existentes y recopilación de requerimientos en base a la aplicación.- Objetivo 2.. Estudio teórico comparativo de una selección de estándares LPWAN.

Objetivo 3. Propuesta de una solución basada en estándares LPWAN y dispositivos de campo (sensores y/o actuadores) para la mejora de aspectos relacionados con la gestión del agua en zonas rurales.

- Objetivo 4. Estudio experimental de prestaciones de uno o dos estándares de los anteriormente seleccionados en base a sus prestaciones para la aplicación final, teniendo en cuenta los requerimientos impuestos por la aplicación y la naturaleza de los dispositivos de campo seleccionados (tiempo de respuesta, densidad de despliegue, etc.).

 

Metodología y Competencias

Metodología:

Para cumplir el objetivo descrito anteriormente, se realizarán las siguientes tareas:

Tarea 1.1. Estado del arte de las redes de conectividad inalámbrica en el medio rural en el contexto de las LPWAN.

Tarea 1.2. Estudio de soluciones existentes y categorización de dispositivos físicos de campo (sensores y/o actuadores) relacionados con la monitorización y gestión del agua.

Tarea 2.1. Estudio teórico comparativo de una selección de estándares LPWAN. Se incluirán, como mínimo, las siguientes: LoRaWAN, NB-IoT, Mioty y Wize.

Tarea 3.1. Diseño de la arquitectura basada en redes LPWAN y dispositivos de campo que posibilite la integración de nuevos sensores mediante el uso de modelos de datos estándar.

Tarea 4.1.. Estudio experimental de prestaciones de varios estándares de los anteriormente seleccionados en base a los requerimientos para la aplicación final de monitorización del suelo rural para mejorar la utilización del agua.

Tarea 4.2. Despliegue de un prototipo y realización de pruebas para validación de resultados de la aplicación.

Competencias:

CE1 - Capacidad para la integración de tecnologías, aplicaciones, servicios y sistemas propios de la Ingeniería Informática, con carácter generalista, y en contextos más amplios y multidisciplinares.

CE2 - Capacidad para la planificación estratégica, elaboración, dirección, coordinación, y gestión técnica y económica en los ámbitos de la Ingeniería Informática relacionados, entre otros, con: sistemas, aplicaciones, servicios, redes, infraestructuras o instalaciones informáticas y centros o factorías de desarrollo de software, respetando el adecuado cumplimiento de los criterios de calidad y medioambientales y en entornos de trabajo multidisciplinares.

CE5 - Capacidad de comprender y saber aplicar el funcionamiento y organización de Internet, las tecnologías y protocolos de redes de nueva generación, los modelos de componentes, software intermediario y servicios.

CE8 - Capacidad para analizar las necesidades de información que se plantean en un entorno y llevar a cabo en todas sus etapas el proceso de construcción de un sistema de información.

 

Medios a utilizar

Para el estado del arte se hará una recopilación y clasificación de artículos científicos, usando bases de datos disponibles.

Para la realización de experimentos se utilizarán sensores, placas y chips de radio del grupo de investigación RAAP, en el I3A.

 

Bibliografía

Salam, A., & Salam, A. (2020). Internet of things in water management and treatment. Internet of Things for Sustainable Community Development: Wireless Communications, Sensing, and Systems, 273-298.

Roy, S. K., Misra, S., Raghuwanshi, N. S., & Das, S. K. (2020). AgriSens: IoT-based dynamic irrigation scheduling system for water management of irrigated crops. IEEE Internet of Things Journal, 8(6), 5023-5030.

Ahmad, Z., Hashim, S. J., Rokhani, F. Z., Al-Haddad, S. A. R., & Sali, A. (2021). LPWAN state of the art: Trends and future directions. In Proc. Smart City Conf.