Para monitorizar una granja sin red eléctrica y sin fibra hay que abandonar la mentalidad de consumo consistente en usar sensores basados en WiFi o en red móvil. La solución pasa por construir una red privada de área extensa y bajo consumo (LPWAN) con tecnología LoRaWAN, alimentada por nodos diseñados partiendo del presupuesto energético hacia atrás.

Un sistema de monitorización remota que funcione no empieza eligiendo sensores; empieza calculando cuántos milivatios de energía se pueden captar y almacenar, y hasta dónde puede llevar esa energía una señal de radio. Emparejando una única pasarela alimentada con energía solar con nodos sensores de consumo ultrabajo, es posible vigilar la humedad del suelo, las puertas de seguridad, los niveles de agua y la meteorología en miles de hectáreas sin un solo centímetro de cable de cobre ni una acometida eléctrica.

El presupuesto energético: por qué el WiFi y la red móvil fracasan en el campo

Para entender por qué las tecnologías inalámbricas tradicionales fracasan en entornos agrícolas hay que fijarse en la física de la transmisión por radiofrecuencia (RF) y en el consumo de los distintos microcontroladores. Una conexión WiFi estándar está pensada para dar mucho caudal a corta distancia. Para mantener esa conexión, el chip WiFi debe permanecer activo, consumiendo entre 100 mA y 240 mA a 3,3 V. Aunque se programe para dormir y despertar solo para transmitir, el proceso de buscar un punto de acceso, asociarse, negociar una dirección IP por DHCP y enviar los datos tarda entre dos y cinco segundos. Hacerlo varias veces al día agota una batería de litio 18650 estándar de 2500 mAh en cuestión de semanas.

Las redes móviles (incluidas NB-IoT y LTE-M) ofrecen mayor alcance, pero sufren penalizaciones de consumo parecidas. Un módem móvil tiene que negociar con una estación base, algo que puede llevar hasta diez segundos de transmisión a alta potencia (a menudo con picos por encima de 200 mA). Además, en Sudáfrica las redes móviles son muy vulnerables a los cortes programados de electricidad. A partir de la fase 4, las torres de telefonía locales se quedan sin servicio con frecuencia en cuanto se descargan sus baterías de respaldo, y los sensores quedan desconectados justo cuando más falta hacen.

La alternativa LoRaWAN

LoRa (Long Range) funciona en frecuencias de radio por debajo del gigahercio (868 MHz en Sudáfrica). Emplea modulación por espectro ensanchado con chirp, que permite demodular señales incluso por debajo del nivel de ruido. Esto le da a LoRa dos ventajas enormes para la agricultura:

• Alcance extremo: una sola pasarela montada en un punto alto (un silo o un depósito de agua, por ejemplo) puede recibir sin problemas señales de nodos situados a hasta 15 kilómetros con línea de visión directa.
• Consumo mínimo: como los nodos LoRaWAN no necesitan mantener una conexión continua con la pasarela, pueden quedarse en sueño profundo consumiendo menos de 5 microamperios (µA). Al despertar, transmiten su carga útil en menos de 100 milisegundos y vuelven a dormirse de inmediato.

La aritmética de los intervalos de muestreo

La vida útil de un nodo sensor alimentado por batería es directamente proporcional a la frecuencia con la que transmite datos. En la monitorización agrícola, los datos en tiempo real rara vez son necesarios. La humedad del suelo no cambia de forma apreciable en diez minutos; un depósito de agua no se vacía en cinco. Ajustando el intervalo de muestreo, la autonomía de un nodo pasa de meses a años.

La tabla siguiente ilustra la relación entre frecuencia de muestreo, consumo medio y vida útil prevista de la batería con una batería estándar no recargable de Li-SOCl2 de 3,6 V (8500 mAh de capacidad) en condiciones normales de funcionamiento:

Para los nodos que requieren un muestreo más frecuente o sensores que consumen mucho (como los sensores ópticos de oxígeno disuelto o los ultrasónicos de nivel de agua), un pequeño panel solar de 1 W junto con una única batería LiFePO4 de 3,2 V basta para mantener el nodo funcionando indefinidamente, siempre que el hardware esté diseñado para cortar la alimentación del sensor cuando no se usa.

La realidad sudafricana: independencia de la red y resiliencia de la pasarela

Mientras que los nodos sensores funcionan con baterías diminutas, el corazón de la red es la pasarela LoRaWAN. La pasarela recibe las señales de radio de todos los nodos y las reenvía a internet. Como tiene que escuchar de forma continua, no puede dormir. Una pasarela de exterior típica consume entre 3 W y 5 W de forma permanente.

En Sudáfrica no se puede confiar en la red eléctrica para alimentar esa pasarela, ni en las torres de telefonía locales para reenviar los datos durante cortes de luz prolongados. Para construir un sistema resiliente, la pasarela debe ubicarse junto a un suministro solar y a un enlace de retorno robusto. Un panel solar de 50 W con una batería LiFePO4 de 12 V y 18 Ah mantiene una pasarela de 5 W funcionando 24 horas al día, siete días a la semana, incluso con tres días seguidos de cielo muy cubierto.

Para el retorno de datos (llevarlos de la pasarela al móvil o al ordenador), si no hay fibra, la opción más fiable es un enlace por satélite como Starlink o un enlace inalámbrico punto a punto muy directivo y de alta ganancia hasta una localidad cercana con infraestructura activa. Como la pasarela condensa los datos de cientos de sensores en un flujo minúsculo, hasta una conexión por satélite de poco ancho de banda y latencia alta resulta más que suficiente.

Cómo poner en marcha el sistema

Diseñar estos sistemas exige combinar con cuidado las interfaces de los sensores (como SDI-12, RS-485 Modbus o los 4-20 mA analógicos) con microcontroladores de bajo consumo. Para las explotaciones agrícolas que quieran implantar telemetría robusta fuera de la red sin la complejidad de fabricar hardware desde cero, nuestro equipo de Sheen Farming Solutions ofrece pasarelas LoRaWAN y nodos sensores preconfigurados, listos para alimentación solar y adaptados a las condiciones sudafricanas.

Al alejar la arquitectura de los protocolos de consumo de gran ancho de banda y alto consumo energético y adoptar un diseño LPWAN disciplinado y de bajo consumo, se obtiene visibilidad completa sobre los activos agrícolas remotos sin depender de Eskom ni de los operadores de telecomunicaciones comerciales.