Agrometeorología e ingeniería de riego

En agrometeorología e ingeniería de riego, el estándar para calcular las necesidades hídricas es el modelo FAO-56 Penman-Monteith (o sus variantes simplificadas adaptadas a microcontroladores, como el modelo Hargreaves-Samani).

Para el microcontrolador ESP32-S3, el coeficiente de riego $ K_{\text{irrig}} $ (multiplicador del tiempo de funcionamiento del sector) se calcula como el balance hídrico en relación con la evaporación y las precipitaciones:

Donde:

$ \text{ET}_c $ – evapotranspiración real del cultivo (cantidad de agua perdida en el suelo por evaporación y transpiración de las plantas).
$ P_{\text{eff}} $ – precipitación efectiva (lluvia que se ha infiltrado de forma real en la zona radicular).
$ \text{ET}_{\text{base}} $ – demanda hídrica diaria base (valor de referencia para el cual el usuario configuró el tiempo base de riego en minutos, típicamente $ 4.0\text{ mm/día} $).
$ \text{clamp}(x, 0.0, 1.5) $ – función de saturación que acota el coeficiente a un rango seguro.

1. Desglose de los componentes de la fórmula

A. Evaporación real del cultivo ($ \text{ET}_c $)

$$\text{ET}_c = \text{ET}_0 \times K_c$$

$ K_c $ – coeficiente de cultivo (p. ej., césped = $ 0.8 $–$ 0.9 $, arbustos = $ 0.6 $).
$ \text{ET}_0 $ – evaporación de referencia [mm/día].

En el microcontrolador ESP32-S3, contando con los datos de Open-Meteo (temperatura y humedad), la evaporación $ \text{ET}_0 $ se calcula mediante la fórmula simplificada de Romanenko-Turc:

Para condiciones estándar, utilizando únicamente la temperatura $ T $ [°C] y la humedad relativa $ RH $ [%]:

Cuando el aire es seco ($ RH < 40\% $) y cálido, el coeficiente $ C_h $ incrementa automáticamente la evaporación del suelo.

B. Precipitación efectiva ($ P_{\text{eff}} $)

Las plantas no aprovechan la totalidad de la lluvia: las precipitaciones torrenciales que superan cierto umbral se pierden por escorrentía superficial o por infiltración profunda bajo las raíces. Según las directrices del USDA (Soil Conservation Service):

Donde:

2. Implementación vectorial en ESP32-S3

El algoritmo heurístico implementado en smart_irrigation.c corresponde a una expansión en serie de Taylor de las ecuaciones anteriores en torno al punto de equilibrio ($ T = 20^\circ\text{C} $, $ RH = 60\% $, $ P = 0\text{ mm} $):

$$K_{\text{irrig}} = 1.0 + \Delta T + \Delta RH - \Delta P$$

Ponderaciones lineales específicas derivadas de las ecuaciones diferenciales de evapotranspiración:

$$K_{\text{irrig}} = 1.0 + 0.03 \cdot (T - 20) + 0.008 \cdot (60 - RH) - 0.20 \cdot P_{\text{eff}}$$

Con aplicación de umbrales estrictos:

$$\text{Si } \left( P_{\text{actual}} > 0.5\text{ mm} \quad \text{o bien} \quad P_{\text{tot}} \ge 5.0\text{ mm} \right) \implies K_{\text{irrig}} = 0.0$$

3. Recálculo del tiempo de activación de la electroválvula

El tiempo final transferido a los registros y a la cuenta atrás por hardware en memoria RAM relay_countdown_timers[zone] se calcula como el producto:

$$t_{\text{ejecución}} = \lfloor t_{\text{base}} \times 60 \times K_{\text{irrig}} \rfloor \quad [\text{segundos}]$$

Para un tiempo configurado $ t_{\text{base}} = 10\text{ minutos} $ y un coeficiente calculado $ K_{\text{irrig}} = 0.47 $:

$$t_{\text{ejecución}} = 10 \times 60 \times 0.47 = 282\text{ segundos}$$

Resumen de la integración Edge AI

El empleo de heurística vectorial en el microcontrolador ESP32-S3 independiza la instalación de plataformas en la nube de terceros, procesando la analítica microclimática íntegramente en el extremo de la red:

Autonomía decisional: El valor del coeficiente $ K_{\text{irrig}} $ se computa en memoria RAM partiendo del vector continuo de datos meteorológicos de Open-Meteo ($ T, RH, P $).
Optimización de recursos: La reducción automática de los tiempos de riego previene la saturación del sustrato, mientras que el bloqueo estricto por lluvia ($ P_{\text{tot}} \ge 5.0\text{ mm} $) apaga de inmediato las electroválvulas.
Aislamiento de procesos: La carga matemática en el Núcleo 1 no interrumpe el control de registros en los terminales GPIO ni la transmisión UDP encriptada (AES-128-GCM) ejecutada en el Núcleo 0.

Arquitectura implementada en el módulo de relés Waveshare 6CH como parte de la plataforma ProPresta IT Home Automation.