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DISEÑO ARQUITECTURAL DE UNA PLATAFORMA IOT PARA
LA MONITORIZACIÓN AMBIENTAL APLICADA EN VIVEROS
DE PLANTAS DE ORNATO
ARCHITECTURAL DESIGN OF AN IOT PLATFORM FOR
ENVIRONMENTAL MONITORING APPLIED IN ORNAMENTAL
PLANT GREENHOUSES
Jaime Osvaldo González Cárdenas
Estudiante de Maestría del Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico Nacional de
México/I.T. Colima. (México).
E-mail: valdoc7@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2890-010X
Patricia Elizabeth Figueroa Millán
Profesor adjunto de la División de Estudios de Posgrado del Tecnológico Nacional de
México/I.T. Colima, México).
E-mail: patricia.gueroa@colima.tecnm.mx ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7562-7578
Ismael Amezcua Valdovinos
Profesor adjunto de la Facultad de Telemática/Universidad de Colima, (México).
E-mail: ismaelamezcua@ucol.mx ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2661-513X
J. Reyes Benavides Delgado
Profesor adjunto de la División de Estudios de Posgrado del Tecnológico Nacional de México/I.T. Colima, México).
E-mail: : rbenavides@colima.tecnm.mx ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6190-5933
Recepción: 30/08/2021 Aceptación: 19/10/2021 Publicación: 29/03/2022
Citación sugerida:
Osvaldo, J., Figueroa, P. E., Amezcua, I., y Benavides, J. R. (2022). Diseño arquitectural de una plataforma IoT para
la monitorización ambiental aplicada en viveros de plantas de Ornato. 3C TIC. Cuadernos de desarrollo aplicados a las
TIC, 11(1), 223-249. https://doi.org/10.17993/3ctic.2022.111.223-249
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RESUMEN
El uso de las aplicaciones del Internet de las Cosas (IoT) está beneciando a un número cada vez
mayor de productores y organizaciones agrícolas en sus procesos de producción, mejorando su ecacia
a largo plazo y contribuyendo al desarrollo sostenible, pues se estima que para 2023 estarán cerca de
12 millones de sensores agrícolas en uso globalmente. Por ello, los agricultores de diferentes sectores
agrícolas, incluyendo el hortícola ornamental, están apostando por la pronta adopción del IoT para
mejorar la eciencia en su trabajo diario; aun cuando, en países subdesarrollados, los problemas para
adquirir, acceder y utilizar las nuevas Tecnologías de Información y Comunicación (TIC) han dicultado
esta tarea. En este artículo se describe el diseño arquitectural de una plataforma IoT, utilizada para la
monitorización ambiental en viveros de plantas de ornato, permitiendo el almacenamiento y visualización
dinámica de los datos sensados en la nube. La metodología en espiral para el desarrollo de prototipos
fundamenta el diseño arquitectural presentado. Diseño que proporciona una solución innovadora
al integrar un nodo portable que utiliza tecnología WiFi y una red de sensores estática basada en el
estándar 6LoWPAN para el sensado, recolección y visualización de datos. Como resultados, este diseño
contribuirá a establecer prácticas de agricultura inteligente para mejorar la calidad, productividad,
rentabilidad y sustentabilidad en la producción de plantas ornamentales, así como a ahorrar tiempo y
dinero en las empresas y productores de este sector al disminuir el esfuerzo laboral y riesgo de errores
humanos en la recopilación de datos.
PALABRAS CLAVE
Desarrollo sostenible, Diseño arquitectural, Internet de las cosas, Plantas ornamentales, WiFi, 6LoWPAN,
Almacenamiento en la nube.
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ABSTRACT
The use of Internet of Things (IoT) applications is beneting an increasing number of agricultural producers and
organizations in their production processes, improving their long-term eciency and contributing to sustainable development,
as it is estimated that by 2023 there will be close to 12 million agricultural sensors in use globally. Therefore, farmers
from dierent agricultural sectors, including ornamental horticulture, are betting on the early adoption of IoT to improve
eciency in their daily work; even though, in underdeveloped countries, problems in acquiring, accessing and using new
Information and Communication Technologies (ICT) have made this task dicult. This paper describes the architectural
design of an IoT platform, used for environmental monitoring in ornamental plant greenhouses, allowing the storage and
dynamic visualization of the sensed data in the cloud. The spiral methodology for the development of prototypes underpins
the architectural design presented. The design provides an innovative solution by integrating a portable node using Wi-Fi
technology and a static sensor network based on the 6LoWPAN standard for sensing, data collection and visualization. As
a result, this design will contribute to establish smart agriculture practices to improve quality, productivity, protability and
sustainability in the production of ornamental plants, as well as saving time and money for companies and producers in this
sector by reducing the labor eort and risk of human error in data collection.
KEYWORDS
Sustainable development, Architectural design, Internet of things, Ornamental plants, WiFi, 6LoWPAN, Cloud storage.
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1. INTRODUCCIÓN
Los avances en la electrónica y en los sistemas de comunicación, especialmente en la comunicación
inalámbrica, han favorecido la movilidad de los dispositivos y los servicios ubicuos con el n de permitir
el acceso a los recursos desde cualquier lugar, en cualquier dispositivo y en cualquier momento,
impulsando la necesidad de interconectar el mundo físico con el cibernético, promoviendo la aparición
de los Sistemas Ciberfísicos (CPS) y, consecuentemente, del IoT, donde la utilidad de los dispositivos
no se limita a conectar a los usuarios a Internet, sino a desempeñar un papel activo dentro del mundo
ciberfísico, gracias a sus capacidades de mejora (Singh et al., 2019).
El IoT es reconocido como un cambio de paradigma en donde todas las “cosas” están conectadas a éste,
gracias a la integración de múltiples dominios como redes de computadoras, Redes Inalámbricas de
Sensores (WSN), Tecnologías de Información y Comunicación (TIC), Informática distribuida y ubicua,
análisis y procesamiento de datos, Big Data, Inteligencia Articial (IA) y aprendizaje automático, entre
otros (Singh et al., 2019); lo anterior, permite que los objetos puedan recolectar, procesar y comunicar
datos sin necesidad de la intervención humana. Por consiguiente, se ha presentado un crecimiento
exponencial del IoT, debido a la miniaturización del hardware, la fabricación de sensores de bajo coste,
sistemas integrados y actuadores, especicación y estandarización de protocolos de comunicación; lo
cual, ha convertido al IoT de una idea abstracta a una realidad que incrementa signicativamente el
despliegue de sensores (Pattar et al., 2018). Actualmente, el IoT es considerado un factor vital en la vida
diaria, ofreciendo múltiples soluciones en diferentes ámbitos como en: el área de la salud, el comercio
minorista, el tráco, la seguridad, los hogares y ciudades inteligentes, la agricultura inteligente y de
precisión, entre otros (Farooq et al., 2020), permitiendo el desarrollo de una infraestructura digital con
potencial impacto en el desarrollo sostenible a nivel global.
En el entorno agrícola, el IoT es utilizado principalmente para lidiar con la recolección distribuida de
datos de los entornos agrarios, dirigiendo a los agricultores con información dinámica de los campos de
cultivo; lo cual, resulta en un aumento de la productividad y el ahorro en las materias primas, insumos
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y recursos naturales (Almalki et al., 2021). Su aplicación en este sector puede ayudar a garantizar una
demanda suciente en la producción, así como aumentar la eciencia de los procesos de producción
agrícola en general (Alreshidi, 2019), mejorar la sustentabilidad y la seguridad alimentaria, acorde con
el estudio presentado en (García et al., 2019), contribuyendo con los objetivos de la Agenda 2030 para el
Desarrollo Sostenible (UN General Assembly, 2015). En la Tabla 1 se presentan los principales objetivos
en los que impacta el IoT.
Tabla 1. Alcance e impacto del IoT con respecto a los Objetivos de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible.
Objetivos de la Agenda 2030 Impacto del IoT
No.1: Poner n a la pobreza
Reducción potencial de los daños en cultivos y mejora de la
productividad a través de la monitorización del entorno y de
las condiciones del suelo; reducción de los gastos y costos de
producción a través de la optimización de los ingresos; incremento
de los cultivos mediante la mejora de los procesos de toma de
decisiones a través de datos precisos; mejora de la productividad
y el rendimiento de los cultivos a través de los tratamientos y
pronósticos meteorológicos.
No.2: Agua limpia y saneamiento Administración y monitoreo eciente del consumo hídrico.
No.12: Producción y consumo responsable Reducir la huella ecológica signicativa de las actividades agrícolas
en cuanto al consumo hídrico.
Fuente: UN General Assembly, 2015.
Como se puede observar en la Tabla 1, la aplicación del IoT en la agricultura puede contribuir en
el alcance de los objetivos de desarrollo sostenible a nivel local, regional, nacional y global, ya que
ésta conforma múltiples aplicaciones, principalmente de monitorización, control y seguimiento, que
consideran varios tipos de variables como el aire, temperatura, humedad, suelo, agua, fertilización,
control de plagas, control de iluminación y seguimiento de la ubicación (Farooq et al., 2020). Así pues,
la agricultura inteligente sostenible tiene como objetivo mantener la calidad del suelo, reducir la erosión
del suelo, ahorro de los recursos hídricos y se ha aplicado al cultivo para preservar los recursos naturales
sin comprometer la calidad de los requerimientos fundamentales, que además mitigan los problemas
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relacionados con malezas, enfermedades de las plantas, insectos y otras plagas (Zikria et al., 2021). En
este sector, la recopilación de datos se realiza mediante el uso de sensores y otros dispositivos IoT para su
almacenamiento mediante Bases de Datos (BBDD) y su posterior procesamiento, análisis y adquisición de
conocimiento, apoyando los procesos de toma de decisiones para aumentar la producción de los cultivos
mediante un autoanálisis sobre éstos y su entorno (Mishra et al., 2021). Su uso da lugar a avances que
pueden modicar drásticamente los actuales procedimientos de producción en la agricultura (Alreshidi,
2019).
Las principales aplicaciones de IoT en la agricultura se dan en la agricultura inteligente y de precisión,
la ganadería e invernaderos; los cuales, se agrupan en diferentes dominios de monitorización (Farooq
et al., 2020). Las funciones y características de la integración de la agricultura con el IoT son: sensado
remoto, interfaces de usuario basadas en Internet, irrigación y fertilización especíca al sitio, vehículos
autónomos para la agricultura, sensado de cultivos y suelo en el campo, entre otros (Hassan, 2018).
Considerando lo anterior, cualquier campo de la agricultura puede beneciarse de su integración con
el IoT, como por ejemplo la horticultura; la cual, es un subcampo de la agricultura, que se centra en
las plantas utilizadas por el ser humano para medicina, alimentación y plantas decorativas (Dinesh et
al., 2021), formando parte ampliamente de la industria agrícola, desempeñando actividades agrícolas
dentro de los invernaderos, como el cultivo de frutas, verduras y plantas ornamentales. En México, la
producción de plantas ornamentales se desarrolla al aire libre, con malla sombra, con macrotunel y en
invernaderos (Agroproductores, 2019).
Por tanto, en la horticultura, el IoT es especialmente importante para optimizar los métodos de cultivo,
ya que los dispositivos IoT pueden medir la temperatura del aire, la humedad del aire y del suelo, y los
ujos de savia de los cultivos (De Prieëlle et al., 2020).
No obstante, el IoT requiere de la integración de dispositivos heterogéneos para proporcionar una
infraestructura ubicua y robusta en donde todo se conecta mediante protocolos de comunicación basados
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en tecnologías heterogéneas para la interconexión, interoperabilidad e intercambio de información entre
dispositivos y aplicaciones en el Internet, independientemente del sector de aplicación. Características
de heterogeneidad que, generalmente, provocan que los despliegues de soluciones IoT sean complejos
y costosos.
Actualmente, se han desarrollado algunas soluciones que buscan hacer más ecientes los procesos de
producción agrícola mediante aplicaciones de IoT. Entre ellos se encuentra el propuesto por Gómez et al
(2017), quienes realizaron un sistema IoT para el monitoreo de cultivos protegidos con la capacidad de
recolectar información de parámetros relacionados con el desarrollo y crecimiento de los cultivos como
humedad y temperatura. Para su elaboración utilizaron el protocolo MQTT empleando Paho un cliente
de Python, así como un visualizador web para mostrar la información y capturar alertas relacionadas
con el cultivo.
Por otro lado, Flores (2017) realizó un sistema de control difuso en invernaderos de plantas ornamentales
en donde sensaba temperatura, pH, humedad y CE. Utilizaron un sistema tipo Mamdani con la
herramienta jFuzzyLogic y el sensado se realizó mediante ZigBee, un servidor y un panel de monitoreo
web obteniendo tiempos cortos respecto al sensado. Este sistema al utilizar tecnología privada como
ZigBee no permite la interoperabilidad directa con el Internet, al romperse el paradigma end-to-end,
requiriendo una traducción entre protocolos de comunicación.
Además, Terrones (2018) presenta un sistema web para monitorear variables como temperatura,
humedad, salinidad y CE en invernaderos de plantas ornamentales. Para implementarlo se utilizó una
Raspberry y un Arduino en conjunto con tecnologías ZigBee y una página web desarrollada con PHP y
MySQL para el almacenamiento y visualización de los datos. Entre las limitantes encontradas se aprecia
que únicamente utilizaron un nodo para realizar el sensado y se utilizó la tecnología ZigBee la cual
agrega complejidad en la interoperabilidad con otros sistemas y dispositivos de Internet.
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Núñez-Agurto et al (2020) proponen una plataforma de bajo costo basado en IoT para Agricultura
Inteligente mediante la implementación de una solución de hardware y software de bajo costo,
permitiendo almacenar y analizar datos ambientales de los cultivos de manera centralizada y remota,
para posteriormente realizar pronósticos con una mayor precisión en indicadores ambientales como
humedad y temperatura. Para esto se utilizaron microcontroladores NodeMCU ESP8266, sensores de
temperatura/humedad AM2302, sensores de lluvia MH-RD y se desarrolló un panel de control para
analizar los datos en tiempo real utilizando la herramienta node-red y se usó una conexión WiFi por
medio del protocolo MQTT. Los datos obtenidos tuvieron una mayor precisión en comparación de un
termohigrómetro y de la aplicación de Google Weather. Entre las limitaciones se aprecia que los datos
que se recopilan se guardan en un servidor local, por lo que los datos no se encuentran en la nube y no
se pueden acceder de manera ubicua.
Por otra parte, Guerrero et al (2017) presentan una plataforma IoT de bajo costo y consumo energético
para la monitorización de campos de cultivo e invernaderos. Las variables consideradas fueron humedad
y temperatura. El sistema fue desarrollado utilizando un nodo frontera con una Raspberry Pi 3 y nodos
sensores con microcontroladores PIC18LF46K22. La comunicación se realizó con el protocolo ZigBee
y tecnología celular, visualizando los datos mediante una aplicación web. Entre las limitaciones de este
proyecto se encuentran que utilizan un protocolo de comunicación desarrollado por ellos mismos a nivel
de aplicación, omitiendo la utilización de un protocolo estándar.
Como se puede observar, existen diversas soluciones IoT para diversos contextos en torno al sector
agrícola; soluciones que emplean tecnologías de red inalámbrica para redes de sensores pero que carecen
de características de autoconguración y adaptación, así como de la integración con otras tecnologías
como WiFi en el contexto en el que se desarrollan.
Considerando lo anterior, en este artículo se propone el diseño de una plataforma de IoT para la
monitorización ambiental y de sustrato aplicada en viveros de plantas ornamentales, considerando
como caso de estudio el Consejo Estatal de Productores de Plantas de Ornato (COEPPLANTS) del
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estado de Colima, México; el cual, se encarga principalmente de la producción de plantas ornamentales.
Este consejo está conformado por cincuenta y dos viveristas que se encargan de comercializar especies
ornamentales producidas en el estado a través de su comercializadora Ornamentales de Colima SPR de
RL de CV (ORNACOL). Actualmente, como parte de su infraestructura digital se cuenta con una red
de sensores autocongurable que opera con tecnología 6LoWPAN (Cortés-Quiroz et al., 2020) y un nodo
portable que mide valores de pH y conductividad eléctrica (CE) del sustrato de las plantas de ornato, el
cual utiliza la tecnología inalámbrica WiFI para la transmisión de los datos sensados (Delgadillo-Gaytán
et al., 2018). No obstante, no cuenta con una plataforma, como parte de su infraestructura, que permita
el aprovisionamiento, gestión de los datos e interoperabilidad entre estos proyectos; por lo tanto, el
diseño propuesto surge de la necesidad de integrar éstos, solución que será capaz de ofrecer:
• Una infraestructura digital sostenible y de bajo coste que favorezca el desarrollo sustentable en la
producción de plantas ornamentales para el despliegue de una solución IoT novedosa que pueda
migrar a distintos contextos del sector agrícola.
• Monitoreo dinámico de la información sensada en torno a las condiciones del sustrato de las
plantas, así como del ambiente de forma remota.
• Almacenamiento de los datos en una base de datos alojada en la nube garantizando el acceso
ubicuo a la información.
• Capa de presentación para el análisis oportuno y preciso de los datos para mejorar los procesos de
toma de decisiones sobre la producción de plantas ornamentales.
• Conectividad total a Internet en las áreas de producción del vivero.
• Posibilidad de implementarse en invernaderos con dimensiones mayores (escalable).
El resto del artículo presenta la metodología tanto de investigación como de desarrollo; resultados que
describen el diseño arquitectural propuesto, así como la viabilidad de este considerando el avance parcial
del desarrollo tecnológico del mismo; las conclusiones, discusión y trabajo a futuro de este proyecto.
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2. METODOLOGÍA
En esta sección se describe la metodología de investigación y de desarrollo para el alcance de los resultados
presentados en este artículo. La investigación se ha desarrollado siguiendo un diseño de investigación-
acción; mientras que, para la especicación del diseño arquitectural y del avance parcial del desarrollo
tecnológico se empleó la metodología de desarrollo en espiral. A continuación, se describe cada una de
éstas.
2.1. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo de la investigación de este proyecto se sigue el enfoque de la investigación aplicada,
que de acuerdo con Sampieri (Hernández-Sampieri et al., 2014) cumple con el propósito fundamental
de resolver problemas, incluyendo como justicación adelantos y productos tecnológicos; a su vez, se
marca en un diseño investigación-acción el cual tiene como precepto conducir a cambiar y por tanto
este cambio debe incorporarse en el propio proceso de investigación, es decir, se indaga al mismo tiempo
que se interviene.
Por el tipo de investigación se utilizó como instrumento de recolección de datos la observación participante
a través de la investigación de campo, manteniendo experiencias directas con los productores y con el
ambiente, como fueron las pruebas realizadas en una de las zonas de producción de ORNACOL.
2.2. METODOLOGÍA DE DESARROLLO
Para la especicación del diseño arquitectural o modelo del sistema de la plataforma IoT, se eligió la
metodología de espiral como metodología de desarrollo. Metodología denida por Pressman (2020) como
un modelo evolutivo que se desarrolla en una serie de entregas, enmarcadas en las fases de: comunicación,
planeación, modelado, construcción y despliegue; las cuales, se repiten con cada iteración. Durante la
primera iteración lo que se entrega puede ser un modelo o un prototipo, y las entregas posteriores
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producen versiones cada vez más completas del sistema. La Figura 1 muestra las fases del modelo y su
comportamiento evolutivo.
Figura 1. Metodología Espiral.
Fuente: Pressman (2020).
De manera que, a continuación, se enlistan las actividades realizadas para el desarrollo del diseño
propuesto en este artículo, las cuales se enmarcan en la primera iteración considerado como el modelo
del sistema:
• Comunicación: Se entabló comunicación con los productores de COEPPLANTS para establecer
los requisitos del proyecto considerando la necesidad de: 1) integrar un nodo portable para el
muestreo de conductividad y pH en el sustrato de plantas de ornato y 2) una red de sensores para
el monitoreo ambiental en torno a la producción de éstas. Para su integración, se identicó que se
cuenta con una infraestructura tecnológica básica basada en conectividad WiFi y de bajo costo, con
un modem único para el acceso a Internet el cual no cubre las áreas de producción a cielo abierto
y bajo sombra en donde el nodo portable se tiene que desplazar para el muestreo del sustrato, así
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como la necesidad de registrar los datos recolectados por este en un almacenamiento en la nube.
En cuanto a la red de sensores, ésta se encuentra desplegada en las zonas de producción y su
capacidad de autoconguración y adaptación, así como la utilización del estándar 6LoWPAN la
dotan de las características necesarias para su operación e integración con el Internet; no obstante,
carece de una infraestructura de almacenamiento persistente y de mecanismos de visualización y
presentación de la información sensada. Por tal motivo, como resultado de la primera iteración
en esta fase se identicó la necesidad de: 1) expandir la red mediante repetidores basados en
WiFi con el objetivo de proporcionar conectividad al nodo portable a través de las diversas áreas
de producción; 2) crear una infraestructura de almacenamiento en la nube con características
de persistencia que permita que la red de sensores 6LoWPAN registre y genere un histórico de
los datos sensados y 3) crear un sistema en entorno web que permita visualizar y analizar la
información recolectada del nodo portable y de la red de sensores.
• Planeación: Se realizó una investigación para determinar y estimar: 1) la plataforma de bajo
costo que permita la creación de los repetidores WiFi para cubrir las áreas de producción en
donde se estará desplazando el nodo portable que mide las condiciones del sustrato de las plantas
en producción; 2) el tipo de base de datos en la nube para el almacenamiento. 3) las tecnologías
para el desarrollo del sistema en entorno web para la presentación-análisis de los datos y 4) la
planicación del proyecto y el análisis de riesgo en el desarrollo y 5) la planeación del despliegue
con base en un mapa de cobertura. Esta iteración resultó en la identicación de la plataforma
ESP8266 con conectividad WiFi para la construcción de los repetidores, Firebase como base de
datos para el almacenamiento en la nube de los datos con características de persistencia y Node.
Js, JavaScript, HTML5 y CSS para la construcción de la capa de presentación de los datos en la
nube.
• Modelado: Se realizó la: 1) especicación de los requisitos funcionales y no funcionales, 2) modelo
de la arquitectura de red y comunicación de la plataforma IoT.
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• Construcción: Se adquirió la plataforma ESP8266 para la creación de los repetidores WiFi,
se realizaron pruebas para asignarle mediante la codicación y programación de ésta el rol de
repetidor WiFi, se conguró agregando los parámetros necesarios para que ésta pudiera funcionar
incluyendo las credenciales de la red WiFi y modo de conexión en malla a la que se iba a conectar
y pudiera tener conexión a Internet, la administración de energía mediante una batería externa,
así como la elaboración de un mapa de cobertura para planear la distribución de los repetidores
considerando el rango de transmisión de WiFi y las áreas de producción del vivero.
• Despliegue: Se realizó la primera prueba funcional de los repetidores para demostrar la
viabilidad técnica, así como pruebas con la base de datos Firebase para su integración para el
registro de los datos que serán recolectados y sensados, resultando en un repetidor funcional capaz
de proporcionar conectividad a un dispositivo móvil para efectos de las pruebas, permitiendo el
envió de mensajes de texto a través de la conexión al repetidor.
Las iteraciones mostradas en la metodología delimitan el alcance de este artículo, el cual propone el
diseño arquitectural de una plataforma IoT para la monitorización ambiental aplicada en viveros de
plantas ornamentales. Las iteraciones siguientes corresponden con fases que se trabajarán como trabajo
a futuro para el desarrollo e implantación del proyecto.
3. RESULTADOS
Como resultados con base en el alcance del presente artículo y la realización de la primera iteración de
la metodología de desarrollo se obtiene la especicación del diseño arquitectural de una plataforma de
IoT para la monitorización ambiental aplicada en viveros de plantas ornamentales; la cual, surge de la
necesidad de integrar dos proyectos, una red de sensores autocongurable que trabaja con tecnología
6LoWPAN (Cortés-Quiroz et al., 2020) y un bastón portable que mide valores de pH y conductividad
eléctrica (CE) el cual utiliza WiFi para enviar los datos que mide (Delgadillo-Gaytán et al., 2018). Por lo
que, esta infraestructura tecnológica que se propone también usará WiFi para que el bastón portable
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pueda funcionar a lo largo de las zonas de producción de ORNACOL y sea capaz de enviar los datos
sensados a una Base de Datos en la nube en Firebase, la cual también recibe datos de la Red de Sensores
basada en el estándar 6LoWPAN. De esta forma será posible observar la información de ambos
proyectos desde un solo lugar, propiciando transparencia en los servicios y en los recursos de cada uno
de los proyectos, así como el acceso ubicuo desde cualquier dispositivo, en cualquier momento y desde
cualquier lugar, de tal forma que los productores puedan ver la información de manera dinámica del
entorno ambiental de las áreas de producción así como del monitoreo del sustrato de las plantas y con
esto poder tomar las mejores decisiones para el bien de la producción de las plantas de ornato.
Con base en lo realizado anteriormente, en la Figura 2 se muestra el resultado obtenido del diseño
arquitectural de la plataforma IoT propuesta en donde se detalla el proceso y la funcionalidad que se
realiza en cada paso.
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A continuación, se describe cada proceso que se realiza dentro del diseño arquitectural:
1. Se congura la infraestructura de repetidores WiFi basados en la tarjeta ESP8266 para que
tengan las credenciales del módem principal, el cual provee el acceso a Internet. Cada uno de los
repetidores debe ser congurado para que pueda funcionar con una distribución en malla y con
esto poder lograr ampliar la cobertura de red a lo largo de las áreas de producción.
2. Una vez que la infraestructura se encuentra en funcionamiento, el nodo portable de pH y CE
realiza la conexión a la red. Se lleva a cabo el sensado del sustrato de las plantas.
3. Los valores se envían a través del protocolo IPv4 y se almacenan en la base de datos de Firebase
alojada en la nube. Este proceso se realiza de manera dinámica, en cuanto se tienen los datos se
actualiza la BD.
4. Dentro de la Red de Sensores, el router frontera puede realizar peticiones de manera periódica
a los nodos sensores para obtener recursos como humedad, temperatura, luminosidad y presión
atmosférica.
5. Los nodos sensores reciben, procesan, obtienen el recurso solicitado y responden a la petición del
router frontera.
6. La información recopilada se registra en la misma base de datos que utiliza el nodo portable, esto
de igual forma se realiza de manera dinámica a través del protocolo IPv4.
7. Se realiza el acceso a la base de datos de Firebase, de donde se extrae la información necesaria
para ser enviada a la plataforma web.
8. Los productores pueden visualizar el estado de sus cultivos, tanto de la red de sensores como
del nodo portable de pH y CE, por medio de cualquier dispositivo móvil con acceso a Internet
accediendo al sitio web.
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9. Existe la posibilidad de realizar una petición HTTP sobre un nodo en especíco para conocer su
estado actual. Esto también se realiza de manera dinámica.
De igual forma, para demostrar la viabilidad técnica de la solución propuesta se logró realizar:
• El estudio del terreno del caso de estudio permitiendo denir un mapa de cobertura con la nalidad
de realizar las pruebas de transmisión, rango de alcance, velocidad de conexión a Internet y
otros parámetros necesarios para asegurar que el nodo portable de pH y CE pueda enviar los
datos sensados a la base de datos en la nube. Después de realizar las pruebas requeridas con los
repetidores, se determinó que éstos deben estar a una distancia máxima de 35 metros. La Figura 3
muestra el mapa de cobertura elaborado para el desarrollo e implementación de la infraestructura
de repetidores WiFi, el cual permite demostrar la distribución que tendrán los nodos, la cantidad y
distribución para crear la infraestructura de conectividad. Como se puede observar en la imagen
la supercie en rojo muestra la ubicación de las ocinas de ORNACOL en donde se encuentra el
módem que proporciona la conexión a Internet y los puntos en amarillo representan cada uno de
los repetidores requeridos para cubrir las áreas de producción.
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Figura 3. Mapa de Cobertura de las áreas de producción en ORNACOL y los repetidores necesarios para el desarrollo de la
infraestructura digital.
Fuente: elaboración propia.
• La conguración de varias tarjetas ESP8266 para crear los repetidores (Figura 4), se les añadió el
Firmware ESP_WIFI_REPEATER1 y se usó el modo Automesh para conectarse en modo malla,
se les añadió una batería externa y se realizaron pruebas rápidas para demostrar la conectividad
entre ellos y la conectividad de un dispositivo móvil a Internet a través de éstos, obteniendo con
esto un primer prototipo de los repetidores WiFi que proporciona una infraestructura para el
nodo portable de pH y CE. Esto permitirá crear una infraestructura de bajo costo logrando
proporcionar conexión a Internet al nodo portable que se estará desplazando por las áreas de
producción para el muestreo del sustrato de las plantas de ornato.
1 hps://github.com/marn-ger/esp_wi_repeater
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Figura 4. Prototipo del repetidor.
Fuente: elaboración propia.
• El diseño de la base de datos de Firebase que utilizará tanto el nodo portable basado en WiFi
como la red de sensores basada en 6LoWPAN la cual logra la conectividad a Internet a través del
módem y la utilización de un enrutador frontera conectado a este; el cual, se encarga de conformar
la red 6LoWPAN y proporcionarle salida a Internet mediante un túnel entre su interfaz Ethernet
y la interfaz de radio IEEE 802.15.4 empleada por esta red.
• Pruebas de almacenamiento de los datos sensados del nodo portable; el cual ya tiene la posibilidad
de recolectar la información y transmitirla de manera dinámica, así como de la red de sensores
6LoWPAN (Figura 5).
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Figura 5. Datos recolectados y subidos a la nube.
Fuente: elaboración propia.
Finalmente, a manera de discusión de resultados, se presenta un análisis cualitativo sobre las
características y funcionalidades que la plataforma IoT, cuyo diseño se presenta en el alcance de este
artículo proporcionará una vez que ésta sea desarrollada e implantada en las instalaciones del caso de
estudio, el cual se presenta en la Tabla 2.
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Tabla 2. Análisis cualitativo sobre las características y funcionalidades de las soluciones existentes con la plataforma IoT que se
propone.
Soluciones Características
Tecnología
aplicada
Plataforma
web para
visualizar
datos
Bajo costo Almacenamiento
en la nube
Proporciona
interoperabilidad
transparente con
sistemas y protocolos
de Internet
Gómez et al (2017) MQTT, Paho Si Si No No
Flores (2017) jFuzzyLogic,
ZigBee, Servidor Si No Si No
Terrones (2018) ZigBee, PHP,
MySQL Si No No No
Núñez-Agurto et al
(2020) WiFi, MQTT Si Si No No
Guerrero et al (2017) ZigBee, Redes
Móviles Si Si Si No
Propuesta Plataforma IoT 6LoWPAN,
CoAP, WiFi Si Si Si Si
Fuente: elaboración propia.
Como se puede observar, a diferencia de las soluciones existentes analizadas en este artículo, la plataforma
IoT propuesta permite integrar tecnologías de red inalámbricas estandarizadas, lo cual permite:
• Integración e interoperabilidad transparente con los sistemas y protocolos de Internet existentes.
• Almacenamiento en la nube con características de persistencia.
• Infraestructura de bajo costo considerando plataformas de hardware accesibles y de código
abierto.
• Visualización y análisis de los datos con tecnologías de código abierto ampliamente utilizadas
por los tecnólogos lo que permitirá escalar el sistema y realizar actualizaciones y mantenimientos
ecientes y ecaces.
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4. CONCLUSIONES
Este trabajo presenta el diseño arquitectural de una plataforma IoT para la monitorización ambiental
en viveros de plantas ornamentales. Además, para demostrar su viabilidad técnica, se han denido los
siguientes puntos: un primer prototipo de los repetidores a utilizar para crear la infraestructura requerida
en las áreas de producción, un mapa de cobertura de la distribución de los repetidores situados a una
distancia de 35 metros, distancia establecida debido al gran número de árboles y plantas que hay dentro
del vivero que inuyen en la intensidad de la señal con base en las pruebas de cobertura realizadas, así
como pruebas de almacenamiento del sensado del nodo portable y de la red de sensores 6LoWPAN.
El trabajo futuro se enfoca en las iteraciones siguientes de la metodología en espiral para: crear los
repetidores sucientes con base en el mapa de cobertura, realizar pruebas de ganancia mediante la
incorporación de una antena externa, desplegar los repetidores en las áreas de producción y realizar las
pruebas necesarias para garantizar la conectividad del nodo portable en todas las áreas de producción.
Además, también se plantea el desarrollo de la capa de presentación; la cual, permitirá el análisis
oportuno, preciso y eciente de los datos para mejorar los procesos de toma de decisiones sobre la
producción de plantas ornamentales, empleando tecnologías web de código abierto las cuales brindan
exibilidad, actualización y escalabilidad del sistema, facilitando el mantenimiento de éste. Esta
plataforma contribuirá a: reducir el esfuerzo laboral en el muestreo de las variables tanto climatológicas
como del sustrato de las plantas ornamentales que afectan su desarrollo y calidad; reducción de posibles
errores humanos en la recopilación de los datos, así como ahorro de tiempo y por consiguiente dinero,
ya que permitirá a través de la visualización del comportamiento de las variables tomar decisiones sobre
acciones preventivas y la ministración de nutrientes, fertilizantes y agroquímicos.
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AGRADECIMIENTOS
Al CONACyT por su programa de Becas Nacionales y al Tecnológico Nacional de México/Instituto
Tecnológico de Colima por su programa de Maestría en Sistemas Computacionales.
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