Irrigation planning system for agricultural soils

Abstract

O objetivo principal desta dissertação é o desenvolvimento de um sistema de planeamento de regas para a agricultura. Este projeto dá seguimento ao algoritmo desenvolvido em [1], capaz de criar um plano de rega de acordo com informações relativas ao solo, colheita, tipo de irrigação, humidade do solo e a previsão meteorológica de uma determinada localização. O sistema desenvolvido é composto por uma aplicação web e uma rede de dispositivos eletrónicos no campo. O sistema efetua todo o trabalho necessário, desde a aquisição de dados relativos à humidade do solo até à exibição dos planos de rega ao agricultor. A aplicação web utiliza a stack tecnológica MERN para fornecer uma interface ao utilizador, onde é possível gerir os pontos de rega e campos agrícolas, observar previsões meteorológicas e visualizar e obter atualizações relativas aos planos de rega, assim como alertar o agricultor através de noti ficações push quando condições alarmantes se verificam. Para além da interface com o utilizador, esta também obtém informações meteorológicas, executa o algoritmo de planeamento e agrega os dados de humidade do solo recolhidos pela rede de pontos de rega, através de um servidor CoAP. A rede de dispositivos eletrónicos no campo está encarregue de recolher informação relativa à humidade do solo e enviá-la para o servidor de hora a hora, recorrendo a diferentes tecnologias de forma a proporcionar uma solução flexível de baixo custo, com duas possibilidades de configuração, standalone e WSN, adequadas para diferentes cenários. A comunicação entre os dispositivos no campo e o servidor é baseada no protocolo CoAP. A configuração standalone é constituída por uma PCB, que combina um microntrolador low power com um circuito de energy harvesting. A esta, são conectados um painel solar, um conversor step-up, uma bateria Li-Po e um módulo de comunicações móveis (capaz de utilizar as tecnologias móveis GPRS/UMTS e NB-IoT), assim como até seis sensores de humidade do solo. A configuração WSN recorre à mesma PCB que a configuração standalone, utilizando um trans ceiver LoRa em vez do módulo de comunicações móveis. Esta comunica através da camada física LoRa com um edge device baseado na plataforma Raspberry Pi, que encaminha os pacotes rece bidos pela rede LoRa através do protocolo CoAP para o servidor. A rede LoRa desenvolvida é capaz de enviar mensagens downlink diárias e um data-rate adaptativo, que controla o link budget através do spreading factor e da potência de transmissão, recebendo pacotes recorrendo a um esquema adaptativo de seleção do spreading factor (ASFS) [2].

The main objective of this dissertation is the development of an irrigation planning system for agri culture. This work builds upon the algorithm developed in [1], capable of creating an irrigation plan according to soil, crop, irrigation, soil moisture and weather forecast of a given location. The developed system is composed by a web application and a network of field electronic devices. The system does all the necessary work, from the retrieval of the soil moisture data to the display of irrigation prescription plans to the farmer. The web application resorts to the MERN technological stack to provide an interface to the farmer, where irrigation points and crop fields can be managed, forecasts observed and the irrigation plans can be retrieved and updated, while also alerting the farmer through push notifications when danger ous conditions are verified. Besides the interface with the farmer, it also gathers weather information, performs the irrigation planning and retrieves soil moisture data from the irrigation points through a CoAP server. The network of electronic devices is in charge of retrieving soil moisture information and sending it to the server on an hourly basis, using different technologies to provide a flexible low-cost solution with two different configurations, standalone and WSN, suitable to many different scenarios. The communication between field devices and the server is based on CoAP protocol. The standalone configuration consists of a PCB, where a low power microcontroller is paired with an energy harvesting circuit. To it, a solar panel, a step-up converter, Li-Po battery and a cellular communication module (capable of connectivity with both GPRS/UMTS and NB-IoT technologies) are connected, along with up to six soil moisture sensors. The WSN configuration makes use of the same PCB as the standalone configuration, using a LoRa transceiver instead. It communicates through the LoRa physical layer to an edge device based on the Raspberry Pi platform, which forwards the packets received from the LoRa network through CoAP to the web server. The LoRa network developed is capable of daily downlink messages and adaptive data-rate, where the link budget is controlled through the spreading factor and the transmission power, receiving packets through an adaptive spreading factor selection (ASFS) scheme [2].