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Sistema de adquisicion, almacenamiento y analisis de informacion fenologica para el manejo de plagas y enfermedades de un duraznero mediante tecnologias de agricultura de precision.

System acquisition and analysis of information storage and handling phenological pests and diseases of peach by precision farming technologies

1. Introduccion

La agricultura de precision (AP) es una tecnologia que ha revolucionado el arte de cultivar en el mundo y poco a poco ha logrado un lugar importante en el ambito de las investigaciones; Srinivasan [1] apoya esto cuando dice que la agricultura domina las decisiones del manejo de la tierra en el mundo. La necesidad urgente de duplicar la produccion agricola sobre los proximos 25 anos con menos tierra y con menos agua, inevitablemente envuelve costos ambientales, economicos y sociales. Son muchos los autores que han escrito sobre agricultura de precision y son varias las definiciones que se le ha dado, pero la idea siempre es la misma. Segun Srinivasan [2] en terminos simples la agricultura de precision es una estrategia holistica y ambientalmente amigable, en la cual los agricultores pueden variar las entradas y metodos de cultivos, incluyendo la aplicacion de semillas, fertilizantes, pesticidas, agua, seleccion variable, siembra, labranza, riego y cosecha para manejar la variabilidad del suelo y las condiciones del cultivo a lo largo del campo. Una aplicacion importante de la agricultura precisa, y parte de la mayoria de los programas de proteccion de cultivos en el mundo, es la utilizacion de planes de Manejo Integrado de Plagas (MIP oIPM por sus siglas en ingles). "Hubo mas de 67 definiciones en la literatura mundial solo entre los anos 1959 y 2000" [3]; de todas, una de las mas completas fue propuesta por Kogan en 1998 quien concluyo que "IPM es un sistema de apoyo a toma de decisiones para la seleccion y uso de tacticas de manejo de pestes, coordinado a una estrategia de manejo, basado en el analisis costo/beneficio que toma en cuenta los intereses e impactos en productores, sociedad y ambiente"[4].

En el MIP tradicional se hace una evaluacion de las densidades de una plaga o enfermedad determinada a traves de un monitoreo o muestreo de sus poblaciones; el resultado se compara con el umbral economico de la peste y luego se toma la decision de aplicar o no homogeneamente una accion de control en todo el cultivo, con base en el estimado poblacional global. Sin embargo, con el advenimiento de las geotecnologias (base de la AP), ha nacido un nuevo concepto, el MIP en sitio especifico (Site-Specific-IPM o P IPM, por sus siglas en ingles). Esta tecnica requiere muestreos intensos con el objeto de medir la variabilidad espacial de los parametros en estudio (densidad de plagas, malezas, patogenos), para luego construir mapas de sus distribuciones espaciales. Eso hace mas precisos los muestreos y las aplicaciones de plaguicidas debido a que es posible dirigir el control a areas especificas dentro de un cultivo, tomando como primer criterio la ubicacion espacial real de focos de alta densidad poblacional (Hot spots) [5]. En este documento se describe el desarrollo de un sistema de monitoreo del comportamiento espacio-temporal de las principales enfermedades que atacan al duraznero de la finca Santa Isabel, de Duitama-Boyaca. Esta es una herramienta de ayuda para los agronomos debido a que permite obtener mapas del comportamiento de cada enfermedad para una fecha especifica y estudiar el comportamiento de las principales variables climaticas que inciden en la proliferacion de las mismas, como: la velocidad y direccion del viento, la temperatura, la humedad relativa y la pluviosidad.

2. Monitoreo de plagas y enfermedades

La posibilidad de encontrar focos de infestacion es lo que posiciona al MIP de sitio especifico en un lugar importante para la consecucion de los propositos de la AP: disminucion de costos de produccion y reduccion de efectos nocivos al medio ambiente, debido a la aplicacion de los insumos agricolas en el lugar, instante y cantidad adecuados. Sin embargo, para lograrlo, el MIP necesita confiar en la exactitud de la tecnica de supervision de las plagas, por lo que seria casi imposible ejecutar el control en el momento y lugar correcto, sin recoger informacion de la dinamica de la poblacion y de los factores ecologicos relacionados, conclusion respaldada por Jiang [6]. Lo anterior obliga a destacar dos factores importantes para el MIP: el primero es el monitoreo o muestreo del comportamiento de las plagas, el cual es considerado "piedra angular para el establecimiento de cualquier programa MIP y consecuentemente, primer paso para la aplicacion de la Agricultura de Precision" [5]; el segundo es el monitoreo de elementos ecologicos como la temperatura, la humedad, las lluvias etc., que se han vuelto muy influyentes a raiz de los cambios climaticos, el recalentamiento global y, por supuesto, el aumento en la variabilidad climatica. Esto ha hecho que autores como Strand [7] no duden en afirmar que teniendo informacion climatica relacionada con el desarrollo de las plagas se pueden tomar mejores decisiones para controlarlas.

Realizar un monitoreo comprende varias partes segun afirma Mitidieri [8] y Barfield [9]. Entre ellas estan conocer las enfermedades y plagas a moni-torear y, por ende, su comportamiento; tambien determinar el numero de muestras a tomar o contar, el metodo de muestreo a utilizar y la localizacion espacial de la muestra. Adicionalmente, como menciona Simone [10], es necesario tener en cuenta las herramientas a utilizar en campo como binoculares, tijeras de podar, trampas, formatos de monitoreo y cuadernos de notas. Estos ultimos hoy en dia han sido remplazados por sistemas moviles de monitoreo que mejoran la gestion productiva mediante el uso de dispositivos moviles PDA (Personal Digital Assistant-Asistente Digital Personal) con software especializado para el monitoreo, no solo de plagas y enfermedades sino tambien de toda la fenologia de las plantas. Esta nueva herramienta permite facilitar las labores de recoleccion de datos y ha sido tan eficiente, que paises como Argentina, Chile y Peru estan incorporando a sus empresas agricolas este tipo de equipos. Por ejemplo, la Asociacion de Citricultores de Concordia (Argentina) con el proyecto FruTIC, o el Instituto Nacional de Tecnologia Agropecuaria (INTA, Argentina) con el SMA (sistema movil para monitoreo de algodon) disenado por ellos mismos. Ademas son muchas las empresas que estan ofreciendo este tipo de productos, entre ellas GERMINA (Peru), BIDONE & ASOCIADOS (Argentina) y AGROCALIDADLTDA (Chile).

3. Redes de sensores y tecnologias Zigbee

Las WSN son definidas por Wang, Zhang y M. Wang [11] como un sistema compuesto por Tx/Rx (transceptores) RF, sensores, microcontroladores, y fuentes de poder, que generalmente es autoorganizable, autoconfigurable, autodiagnosticable, y autoreparable. Tambien se conocen como redes inalambricas compuestas por nodos, que a su vez estan constituidos por un sensor o una tarjeta de adquisicion y una "mote" (tarjeta en donde esta el procesador y el transmisor). Dichos nodos pueden comunicarse con una unidad de gateway que tiene la capacidad de enviar la informacion a otros computadores a traves de otras redes como Internet. Estos autores afirman, ademas, que este tipo de redes deben ser robustas, flexibles, eficientes en el manejo de energia y de bajo costo. Asi mismo, explican algunos estandares de comunicaciones inalambricas como LAN inalambrico, IEEE 802.11b [12] (WiFi); PAN inalambrico, IEEE 802.15.1 [13] (Bluetooth) e IEEE 802.15.4 [14] (ZigBee).

Entre los estandares mencionados, investigadores como Morais, Fernandez, Matos, Serodio, Ferreira, y Reis [15] eligen ZigBee como el mas adecuado para usar en WSN para monitoreo de variables fenologicas de los cultivos y, en general, para aplicaciones en agricultura de precision. Segun Barneda [15], ZigBee es un estandar de comunicaciones inalambrico para redes inalambricas de sensores, cuyas aplicaciones son la construccion de redes de automatizacion, sistemas de seguridad y redes de control industrial, entre otras. La especificacion ZigBee se basa en el estandar IEEE 802.15.4. y se complementa proporcionando protocolos que permiten las comunicaciones entre dos o mas dispositivos de una forma eficiente y sencilla [16].

[FIGURA 1 OMITIR]

4. Metodologia

El lugar utilizado para la realizacion de esta investigacion fue la Finca Santa Isabel del barrio San Antonio Norte de Duitama-Boyaca-Colombia. Esta finca posee cuatro lotes cultivados de durazneros de las variedades: rubidu, rio grandense, dorado y diamante. Se escogieron los lotes La Era y Jose Luis, a los que se les establecieron los linderos como se aprecia en la Figura 1. En este mapa los sectores de color verde representan los arboles seleccionados para la muestra, en color amarillo los espacios sin arbol pero disponibles para sembrar, y en color blanco el resto de la poblacion. Ademas, mediante una cuadricula enrojo se determina la sectorizacion de los lotes, teniendo en cuenta la variabilidad espacial de algunas de las enfermedades segun los datos recopilados en el primer ano de estudio.

El torque, la monilia, el cenizo y la perdigona son las enfermedades mas incidentes. En las tablas 4, 5, 6 y 7 se aprecian los grados de ataque de estas enfermedades en las hojas y frutos de las plantas de durazno de la finca Santa Isabel.

[TABLE 1 OMITTED]

[TABLE 2 OMITTED]

[TABLE 3 OMITTED]

[TABLE 4 OMITTED]

La mosca de la fruta es la plaga que mas afecta a los cultivos de durazno. El dano comienza cuando la hembra deposita los huevos bajo la piel de los frutos, y luego las larvas consumen la pulpa y causan deterioro y pudricion. Santa Isabel requiere un monitoreo de esta plaga para detectar un incremento en la poblacion y asi poder realizar las medidas de control requeridas, previniendo y/o reduciendo los danos ocasionados por la misma. En la Figura 2 se muestran las caracteristicas de la mosca de la fruta.

[FIGURA 2 OMITIR]

Teniendo en cuenta estos aspectos, se debe disenar un sistema de adquisicion de datos climaticos y de poblacion de insectos (una estacion agroclimatica por lote) via inalambrica, un sistema para adquirir informacion fenologica del cultivo (mediante dispositivo PDA) y un sistema de procesamiento y visualizacion de la informacion.

5. Resultados

Se disenaron e implementaron tres modulos: El sistema de adquisicion de datos climaticos y de poblacion de la mosca de la fruta, el sistema de adquisicion de datos de incidencia de enfermedades en campo, y un sistema de procesamiento y visualizacion de la informacion.

5.1. Sistema de adquisicion de datos climaticos y de poblacion de la mosca de la fruta

El sistema adquiere informacion de variables climaticas de velocidad y direccion del viento, temperatura ambiente, humedad relativa y pluviosidad. Se utilizan dos estaciones de adquisicion de la informacion agrometeorologica de los lotes. La Estacion es una estacion agroclimatica ubicada en el lote Jose Luis, que permite adquirir informacion de las variables de interes y en la cual se diseno la adquisicion y acondicionamiento de senales de los sensores de variables climaticas. Esta estacion tambien posee un modulo de adquisicion de informacion de poblacion de mosca de la fruta denominada trampa electronica, que consiste en dos sensores fototransistores que constituyen un emisor y un receptor. Los sensores se ubican uno enseguida del otro, dejando un espacio entre ellos menor a 5mm y se ubican en el orificio de una trampa estandar Mc Phail para la mosca de la fruta. La Estacion2 consiste en una estacion agroclimatica PCE-FWS20 ubicada en el lote La Era, que permite tambien adquirir la informacion pertinente en campo; ademas, es el sistema de referencia para la calibracion de los sensores de la Estacion1. La informacion que se adquiere mediante las estaciones climaticas y la trampa electronica se transmiten a la casa central de la finca Santa Isabel, mediante un sistema de transmision basado en ZigBee como se aprecia en la Figura 3.

[FIGURA 3 OMITIR]

5.2. Sistema de adquisicion de datos de incidencia de enfermedades en campo

El sistema de adquisicion de datos en campo, como muestra la Figura 4, es el que permite adquirir la informacion proveniente del conteo de hojas y frutos de los durazneros para luego transferirla al centro de seguimiento; alli se almacena y se realizan los calculos necesarios para presentar al usuario la distribucion espacial de la enfermedad. El sistema consiste en un dispositivo movil (PDA) que, equipado con software especializado (aplicacion en software movil), soluciona inconvenientes de toma y digitalizacion de los datos. El software sobre el cual se trabajo este proyecto fue Cybertracker 3.00.0129.

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

5.3. Sistema de procesamiento y visualizacion de la informacion

La aplicacion en software consiste en un programa que toma la informacion de las diferentes fuentes (estaciones agroclimaticas y dispositivo movil) y las presenta en forma grafica. Esta fue desarrollada sobre lenguaje python, que sigue un modelo de programacion orientada a objetos. La interfaz grafica o GUI fue implementada usando el frameworkwx-Python que, mediante widgets definidos, permite el diseno de ventanas, botones, contenedores, graficas y demas partes del entorno grafico. Para procesar y graficar la informacion se usaron los modulos OS, SYS, MATPLOTLIB, PYSQLITE3, PYLAB, NUMPY, XLRD, PYCSV, PYMATH, PYSERIAL, entre otros, que son librerias especializadas que contienen funciones que facilitan el desarrollo de la aplicacion. Para el desarrollo de esta aplicacion se definio la estructura general del programa como se muestra en la Figura 6. Esta consta de dos partes principales que son: la normalizacion de los datos entrantes y la visualizacion o interfaz grafica.

[FIGURA 6 OMITIR]

6. Conclusiones

La agricultura de precision es una herramienta tecnologica que ha evolucionado en gran manera en los ultimos anos. Su aplicabilidad se ha generalizado en cultivos de gran escala, pero en este proyecto se ha comprobado que es aplicable a minifundios, siendo el eje principal de su aplicabilidad el uso de tecnologias disponibles y de bajo costo, para lograr facilitar la operacion de actividades de registro de datos en campo y tambien de organizacion de la informacion mediante sistemas de computo.

La aplicacion de la electronica y la computacion para el monitoreo de variables fenologicas en cultivos agricolas requiere un tiempo de investigacion en la determinacion e identificacion de los parametros biofisicos que intervienen en la fenologia de la planta, mas aun cuando los elementos de estudio tienen un comportamiento aleatorio y dependen de las condiciones ambientales como en el caso de las plagas y enfermedades. Despues de identificar estos aspectos se deben establecer las opciones tecnologicas adecuadas para el seguimiento del cultivo, que tambien dependeran del tamano de los lotes y del grado de precision en las medidas necesarias para identificar claramente el comportamiento espacio temporal del fenomeno a estudiar.

Aunque los lotes La Era y Jorge Luis estaban cerca, el comportamiento del clima y de las enfermedades no era el mismo, lo cual indica que los estudios referentes a la agricultura de precision deben hacerse en sitio un especifico. Esto significa que en cada region, inclusive en subsectores de lote, los parametros de suelo, agua y ambiente influyen de forma diferente en el desarrollo de los cultivos; no obstante, los dispositivos electronicos y sistemas de computo usados en este proyecto han permitido establecer claramente las diferencias entre los dos lotes y prestar la informacion al agronomo para la toma de decisiones en la aplicacion de insumos en los lotes de estudio.

La implementacion del sistema de procesamiento y visualizacion de la informacion mediante python permitio el aprendizaje de una herramienta muy completa para el desarrollo de aplicaciones, debido a que tiene las ventajas de ser un software libre (no hay que pagar licencias), funcionalidad en diversos sistemas operativos (Windows, Linux, Unix, Solais, DOS, OsMedios y Mac Os), ademas de tener una comunidad de desarrolladores que apoyan el trabajo en proyectos, y de la facilidad de encontrar codigo libre para aplicaciones de adquisicion, procesamiento y visualizacion de informacion en sistemas de cualquier indole.

Debido a las necesidades globales de optimizar los recursos naturales, la electronica tiene un papel fundamental en el desarrollo de herramientas que permiten la reduccion de agentes daninos para el medio ambiente, como es el caso de los fungicidas e insecticidas usados en cantidades abundantes para minorizar los efectos de las plagas y las enfermedades.

7. Sugerencias y recomendaciones

La agricultura de precision utiliza la interdisciplinaridad de agentes expertos en diferentes areas de conocimiento como la electronica, la computacion, la agronomia, la geografia, la estadistica, la biologia, la fisica, la quimica, entre otras. Por tal motivo se sugiere la interaccion con otros grupos de investigacion de diferentes areas del saber, para continuar con el desarrollo de los procesos de generacion de conocimiento y aplicacion de tecnologias existentes a la agricultura.

8. Financiamiento

El proyecto ha sido desarrollado con recursos de los autores y colaboracion de la linea de investigacion en agricultura de precision y tecnologia agropecuaria del grupo DSP-UPTC, adscrito a la escuela de Ingenieria Electronica de la Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia.

Referencias bibliograficas

[1] A. Srinivasan, "Handbook of Precision Agriculture: principles and applications". Binghamton, NY: Food Products Press, p. 683, 2006.

[2] A. Srinivasan, "Site-specific management for selected cropping systems in Asia: progress and prospects. In promoting global innovation of agricultural science and technology and sustainable agriculture development session 6: Information technology of agriculture", (Organizing Committee, ICAST Eds.). Proceedings of the International Conference on Agricultural Science and Technology: Beijing, China, 2001, pp. 180-190.

[3] W. Bajwa, M. Kogan, "Compendium of IPM Definitions (CID): What is IPM and how is it defined in the Worldwide Literature?", IPPC Publication No. 998, Corvallis, p. 1, 2002.

[4] M. Kogan, "Integrated pest management: Historical perspectives and contemporary developments". Annual Review Of Entomology, vol. 43, pp. 249, 1998.

[5] D. Emmen, "La Agricultura de Precision: Una alternativa para optimizar los sistemas de produccion". Investigacion y Pensamiento Critico, vol. 2, pp. 68 - 74, 2004.

[6] J-A Jiang, "A GSM-based remote wireless automatic monitoring system for field information: A case study for ecological monitoring of the oriental fruit fly, Bactroceradorsalis (Hendel)", Computers and Electronics in Agriculture, vol. 62, no. 2, p. 243, jul. 2008.

[7] J. Strand, "Some agrometeorological aspects of pest and disease management for the 21st century", Agricultural and Forest Meteorology, vol. 103, no 1, p. 74.jun. 2000.

[8] M. Mitidieri, A. Polack. (2005). "Guia de monitoreo y reconocimiento de plagas, enfermedades y enemigos naturales de tomate y pimiento", Instituto Nacional de Tecnologia Agropecuaria de Argentina INTA. [Enlinea]. Disponible: http://www.inta.gov.ar/sanpedro/info/doc/2005/mm_0506.htm

[9] C. Barfield, "Elmuestreo enelmanejo integrado de plagas", In K.L. Andrews y J. Rutilio, Manejo integrado de plagas insectiles en la agricultura. Estado actual y futuro, Honduras. Escuela agricola Panamericana el Zamorano, cap. 9, p. 150, 1989.

[10] N. Simone, Manual de monitoreo de plagas, enemigos naturales y enfermedades del manzano, peral y cerezo", Center for Agricultural Partnerships, Primera Edicion, Argentina. p. 9, 2004.

[11] N. Wang, N. Zhang, M. Wang, "Wireless sensors in agriculture and food industry: Recent development and future perspective", Computers and electronics in agriculture, vol. 50, no. 1, p. 2, ene. 2006.

[12] N. Wang, N. Zhang, M. Wang, "Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band". IEEE Standard 802.11b, 345 East 47th Street, cit. p. 3. 1999.

[13] N. Wang, N. Zhang, M. Wang, "Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)", IEEE Standard 802.15.1, 345 East 47th Street, cit. p. 3, 2002.

[14] N. Wang, N. Zhang, M. Wang, "Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)", IEEE Standard 802.15.4, 345 East 47th Street, cit. p. 3, 2003.

[15] R. Morais, M. Fernandes, S. Matos, C. Serodio, P. Ferreira, M. Reisa, "A ZigBee multi-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture", Computers and electronics in agriculture, vol. 62, no. 2, p. 105, jul. 2008.

[16] I. Barneda, "Zigbee aplicado a la transmision de datos de sensores biomedicos". Universidad autonoma de Barcelona. [En linea]. Disponible: www.recercat.net/bitstream/2072/13081/1/PFC+Ivan+Barneda.pd

ANDRES JIMENEZ

Ingeniero Electronico, Magister en Ciencias Fisica. Investigador del grupo Procesamiento Digital de Senales de la Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia. Sogamoso, Colombia. andres.jimenez@uptc.edu.co

DIANETH RAVELO

Ingeniero Electronico. Investigador del grupo Procesamiento Digital de Senales de la Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia. Sogamoso, Colombia. dianeth.ravelo@uptc.edu.co

JOHANA GOMEZ

Ingeniera Electronica. Investigadora del grupo Procesamiento Digital de Senales de la Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia. Sogamoso, Colombia. yohana.gomez@uptc.edu.co

Clasificacion del articulo: investigacion (Conciencias)

Fecha de recepcion: noviembre 24 de 2009

Fecha de aceptacion: mayo 25 de 2010
COPYRIGHT 2010 Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas
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Title Annotation:con-ciencias
Author:Jimenez, Andres; Ravelo, Dianeth; Gomez, Johana
Publication:Revista Tecnura
Date:Jul 1, 2010
Words:3716
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