Este documento describe un sistema automatizado de riego basado en el balance hídrico climático y la medición de humedad del suelo usando tecnologías de información. El sistema usa una estación meteorológica para calcular la evapotranspiración de referencia y sensores de humedad del suelo para determinar las necesidades de riego. El sistema controla automáticamente el riego a través de un datalogger programado con algoritmos. Los resultados mostraron que la estrategia basada en el balance hídrico climático tuvo menor

1. AUTOMATIZACIÓN DEL RIEGO BASADA EN BALANCE HÍDRICO CLIMÁTICO
Y MEDICIÓN DE HUMEDAD DEL SUELO USANDO TECNOLOGÍAS DE
INFORMACIÓN
F. MIGUEL AGUILA1, HELMUT SINN2 Y SIEGFRIED KLEISINGER 3
Resumen
Se desarrolló un sistema para estimar con criterios objetivos las necesidades de riego de los cultivos y
realizar la aplicación del agua en forma más eficiente y totalmente automática. El sistema de riego se
basa en el balance hídrico climático con una estación meteorológica In Situ para calcular la
evapotranspiración de refencia (Penman-Monteith) y en la medición del contenido volumétrico de agua en
el suelo con sensores “Time Domain Reflectometry, TDR, IMKO”.
El principio fundamental de funcionamiento de este sistema consiste en la interconección de sensores de
humedad de suelo y meteorológicos a un datalogger CR10X en el cual se encuentran algoritmos en un
programa residente en su memoria para procesar esta información junto a la del suelo y cultivo. Cuando
existe la necesidad de riego el datalogger a través de sus canales de control y relevadores acciona el
sistema de distribución del agua hasta que se cubren los requerimientos. El sistema completo es
monitoreado online a través de INTERNET u otras Tecnologías de Información y puede visualizarze el
estado actual del riego y toda la información del sistema desde cualquier computadora u otros
dispositivos que esten en red.
Con el programa de riego se pueden llevar a cabo dos estrategias de riego diferentes: 1) Balance hídrico
climático con modelos del cultivo (coeficientes de cultivo, profundidad de las raices y factor de abatimiento
de humedad permisible y 2) Medición del contenido de agua en el suelo con sensores.
Para la puesta a prueba del sistema de riego fue establecido un campo de cultivo al aire libre con
calabaza (Cucurbita máxima Duch.) durante un ciclo completo en el cual fue evaluado el funcionamiento
del sistema y el consumo de agua y rendimiento para cada una de las estrategias de riego.
Los resultados mostrarón que el sistema funcionó correctamente y que la estrategia “Balance hídrico
climático con modelos del cultivo” tuvo menor consumo de agua y mayor rendimiento.
Palabras clave: Automatización de riego, Tecnologías de Información, Balance hídrico, Medición de
humedad, Calabaza.
Abstract
The aim of this research was the development of a fully automated irrigation-control system for demand-
adapted irrigation scheduling in order to increase water use efficiency. The developed irrigation control
system is based on both, the climatic water balance and soil moisture measurements. The basic concept
of this computer driven system is the linkage of plant, soil and weather algorithms to determine the crop
water requirement, as well as the integration of the use of physiological sensors in different irrigation
strategies.
The system consists of a weather station with integrated datalogger for measuring and recording of
climate parameters (solar radiation, air temperature, relative humidity, wind speed and precipitation)
including a online monitoring by Internet or other Information Technology (IT), a system for direct
measurement of soil moisture (Time Domain Reflectometry sensors, TDR) and an automatic control for
the sprinkler equipment.
1 Hidrociencias, Colegio de Postgraduados, Montecillo, Edo. de Méx., México. fmaguila@uni-hohenheim.de
2 Institut für Agrartechnik, Universität Hohenheim, Stuttgart, Alemania. sinnh440@uni-hohenheim.de
3 Institut für Agrartechnik, Universität Hohenheim, Stuttgart, Alemania. kleising@uni-hohenheim.de

2. Two different irrigation strategies can be established and operated with the irrigation control system: 1)
based on the climatic water balance with plant models into consideration (crop coefficient, rooting depth
and water stress indicator); and 2) based solely on direct soil moisture measurements from three TDR
sensors. To comprehensively test and monitor the system's performance (hardware, software and
integrated plant and soil parameters) a field experiment was carried out. Pumpkin (Cucurbita maxima
Duch.) was selected as a sample vegetable crop. Water consumption and yield served as practice-
relevant evaluation criteria in order to identify the most water saving strategy.
As a result of the experiments the climatic water balance showed the highest water-use efficiency.
Testing of the developed irrigation control program code clearly showed its faultless and reliable
functioning under field conditions.
Key words: Automated irrigation, Information Technology (IT), climatic water balance, soil moisture
measurements, pumpkin.
Introducción
Una creciente problemática hídrica se esta presentando cada día en mas regiones del mundo. El
agua se esta convirtiendo en un recurso escaso y costoso. En vista de esta escasez
corresponde a la agricultura –el mayor consumidor de agua- tomar medidas para hacer un uso
mas eficiente del agua. Generalmente en la agricultura se tienen altos consumos generados por
la sobreirrigación, lo cual no sólo genera un desperdicio de agua, sino que también, debido a los
agroquímicos disueltos, provoca la contaminación de corrientes de agua superficiales y
subterraneas (IMTA, 1995) y en algunas zonas el ensalitramiento de los suelos. Un conocimiento
de las necesidades de agua de los cultivos no solo permite un mejor desarrollo para lograr una
mayor producción y mejor calidad sino que contribuye también a ahorrar considerables
volumenes de agua (IMTA, 1995b).
A través del tiempo se han desarrollado una gran cantidad de sistemas para la determinación,
control y automatización del riego que permiten un consumo de agua mas reducido, sin
embargo, hasta ahora ninguno de estos sistemas ha encontrado en la práctica una aceptación
considerable. Las razones principalmente se deben a la alta demanda de tiempo, trabajo y
capacitación para operar y alimentar de datos e información estos sistemas (Aguila, 2003). Otra
razón radica también en que no se tiene suficiente conocimiento sobre los efectos que estos
sistemas tienen sobre el consumo de agua y los rendimientos de los cultivos, así como los
costos de un sistema de control de riego de este tipo (Aguila, 1997).
En el marco de un proyecto de investigación de doctorado (1999-2003) se desarrollo en la
Universidad de Hohenheim, Alemania un sistema de determinación y automatización de riego,
con la finalidad de incrementer la eficiencia en el uso de agua. El sistema fue concebido baja las
premisas: mejor presición en las mediciones, completamente automático para facilitar la
operación y uso, y relativamente bajos costos de instalación y operación. El sistema se basa en
el balance hídrico y en la medición del contenido volumétrico de agua en el suelo. Estos metodos
permiten determinar con criterios objetivos cuando y con cuanta agua deben ser abastecidos por
medio del riego los cultivos establecidos. Mediante el empleo de modernos equipos electrónicos
de medición y procesamiento de datos es posible desarrollar un sistema complejo que
comprenda conjuntamente las relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmosfera para lograr mantener en
el suelo un nivel óptimo de contenido de agua. La potenciabilidad de ahorro de agua se
concentra principalmente en las posibilidades de reducción de aplicación de agua durante las
etapas fisiológicas menos sensibles al stress de agua y en la consideración para el riego
exclusivamente del área de las raices, así como de la disposición de dispositivos de control y
equipos de aplicación mejorados para lograr una buena distribución de las láminas calculadas.

3. El sistema de riego se compone de una estación meteorológica automatizada con datalogger
integrado y sensores para medir la temperatura, radiación solar grobal, humedad relativa,
velocidad del viento y precipitación. Se desarrollo un programa de riego que se encuentra
residente en la memoría del dataloger y mediante el cual, entre muchos otros cálculos, se estima
la evapotranspiración de referencia (Penman-Monteith) con base en las variables meteorológicas
medidas. Además al mismo dataloger se encuentran conectados tres sensores Time Domain
Refrectometry para medir directamente el contenido volumétrico de agua en el suelo y un
controlador con relevadores para la automatizacion del equipo de microaspersores conectados.
Para el desarrollo del software se consideraron dos estrategias de riego independientes estre si.
Una estrategía con base en el criterio de la medición del contenido de agua en suelo comparado
con un valor umbral de humedad inferior y otro superior y la otra en base en el balance hídrico
climático, considerando modelos con valores dinámicos horarios de coeficiente de cultivo,
profundidad de raiz y factor de abatimiento de humedad permisible en función de la etapa
fenologica. Para tener un aproximación más acorde a la realidad se generaron para estos
modelos curvas a partir de funciones polinómicas.
Debido a la toma de datos separada con que se alimenta el programa de riego desarrollado se
garantiza que el sistema desarrollado puede ser empleado bajo condiciones muy diversas de
clima, suelos y cultivos.
El sistema de automatización de riego puede funcionar por si mismo con base en su datalogger,
independientemente que se disponga una computadora conectada. El sistema puede ser
monitoreado o controlado en linea a través de Internet o con otra Tecnología de Información
desde cualquier lugar que se disponga de un dispositivo en red. Durante el proceso de prueba
del sistema se monitorearón los estados de todas las variables que intervienen en el programa
de riego.
Materiales y métodos
Los experimentos para la aplicación y puesta a prueba del sistema de automatización de riego
desarrollado se realizarón en la estación experimental para jardinería de la Universidad de
Hohenheim, Alemania la cual se ubica a una Latitud 48° 43´ Norte, una longitud de 9°13´ Este y
una altitud de 396 msnm. La precipitación media anual es de 697 mm, el suelo tiene una textura
con 23.6 % de contenido de arcilla, 4.7 % de arena y 71.7 % de limo, con 2.57 % de materia
orgánica y una densidad aparente de 1.35 g/cm³. La capacidad de campo es de 39.12 Vol.-%, el
punto de marchitez permanente de 19.41 Vol.-% y una humedad aprovechable resultante de
19.71 Vol.-%.
Para llevar a cabo los experimentos, durante el tiempo comprendido entre el 12 de junio y 9 de
octubre de 2001, se estableció un campo de cultivo con calabaza Uchiki Kuri, tipo Hokkaido
(Cucurbita máxima Duch.) Para cada una de las estrategias de riego en estudio se consideraron
4 parcelas (repeticiones) experimentales de 66 m² cada una (1.5 x 22m) con una desidad de
siembra de 0.44 plantas x m².

4. Anemometro
Termometro y
Termistor,
humedad relativa
Piranometro
Pluviometro
Panel solar
Dataloger con
programa de riego
Microaspersores
Sensores TDR
Modulo de
registro de
los TDRS
Control de
valvulas
magnetica
Fig. 1. Componentes de hardware del sistema de automatización de riego en el campo experimental
Los componentes de hardware del sistema comprenden una estación agrometeorológica con
un dataloger completamente programable modelo CR10X marca Campbell Scientific, un panel
solar con bateria para el suministro de energía eléctrica, un juego de Modems para el monitoreo
online y la transferencia de datos con una computadora central (servidor). Para la medición del
contenido volumétrico de agua en el suelo se conectaron al dataloger tres sensores Time
Domain Reflectometry, TDR modelo TRIME-MUX6 marca IMKO, asi como una caja de control
con relevadores para activar o desactivar las válvulas magnéticas del riego (Figura 1).
Los riegos se realizaron empleando microaspersores tipo Supernet SR70 (Netafim), los cuales
disponen de una boquilla giratoria de 1.73 mm que asperja el agua con un radio de 2.5 m. Estos
microaspersores tienen compensación a las variaciones de presión lo que permite una
uniformidad de riego con las caidas y aumentos de presión para que todas las plantas reciban la
misma cantidad de agua. La presión de operación se establecio entre 3 y 4 bars teniéndose con
esto un gasto por aspersor de 70 l/h. Los aspersores fueron colocados a 3.65 m de distancia ya
que con esta separación se encontro el mejor coeficiente de distribución aplicandose una lamina
de 5 mm/h.
El sistema de riego fue concevido de tal manera que este funcionara mediante la interconección
de sensores de humedad de suelo y meteorológicos a un datalogger CR10X (Figura 2) en el cual
se encuentra el programa de riego residente en su memoria.

5. Se evita el stress en las etapas
fenológicas sensibles, y en las no
sensibles se ahorra agua a través del
factor de abatimiento permisible.
Medición In situ de la radiación
solar, temperatura, humedad
relativa, velocidad del viento y
precipitación
Fin del riego
? 39 Vol.% (FC)
K c -W erte; K ürb is
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
V e ge ta tio n s z e it [h ]
Pflanzen w asser-Stressindikator, Kürbis
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Vegetationszeit [h]
W urzeltiefe, K ürbis
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
V egetationszeit [h] Cálculo del deficit de humedad a partir
de la evapotranspiración real del cultivo
y de la precipitación efectiva
Se considera el volumen de suelo del
área de las raíces
Estimación de la evapotranspiración del
cultivo (ETr) empleando una curva de
valores Kc
Cálculo horario de la
evapotranspiración de referencia
Data
loger
FC
Evapotranspiración de referencia ETo
(Penman-Monteith)
PMP
≤ 35 Vol.%
Inicio del riego
Balance hídrico a la
profundidad de las raíces
Pérdida de
agua ?
Reserva
Medición
de la
humedad
del suelo
si
m
Fig. 2. Esquema de funcionamiento.
Los componentes de software del sistema de automatización del riego se conforman por el programa de
riego el cual fue elaborado en Edlog que es el principal lenguaje de programación utilizado en los equipos
Campbell Scientific y es un modulo del software PC208W con el cual se maneja el dataloger CR10X. En
el programa se tienen diversos algoritmos para procesar la información meteorológica junto con la del
suelo y cultivo (Figura 3). Cuando existe la necesidad de riego el datalogger a través de sus canales de
control y relevadores acciona el sistema de distribución del agua hasta que se cubren los requerimientos.

6. Medición del clima
In situ, sensores
meteorológicos
Sistema de
captación y
procesamiento,
Hardware y
Software
(Dataloger)
Microaspersores
Medición de la
humedad del suelo
In situ, sensores TDR
Medición de la humedad
del suelo con otros
métodos: tensiómetros,
bloques de yeso, etc
Riego por goteo
Potencial
Estrate-
gia de
riego 1
Otras
estrategias
de riego
Estrate-
gia de
riego 2
Fig. 3. Componentes del sistema de riego.
El programa de riego en el lenguaje de programación Edlog de Campbell Scientific fue
elaborado modularmente en diversas subrutinas tal como se presenta en la Figura 4.
Subrutina 1
Cálculo horario
de la
evapotranspira-
ción de referencia
Subrutina 2
Cálculo de los valores
Kc, profundidad de la
raíz y factor de abati-
miento
Subrutina 3
Cálculo de la
precipitación
efectiva
Subrutina 4
Cálculo de FC,
PMP, HFA y
balance hídrico
Programa principal o
controlador
-Registro de las
variables
medidas y valores
calculados
-Control de las válvulas
magnéticas
-Medición de la humedad
del suelo
Fig. 4. Estructura y algoritmos del programa de riego.
Estrategias de riego
Balance hídrico climático con modelos del cultivo: Los parametros considerados en esta
estrategia de riego son el coeficientes de cultivo Kc, profundidad de las raices y factor de
abatimiento de humedad permisible. Para la realización de esta estrategia es necesaria una
combinación de datos meteorológicos y específicos referentes a las características del cultivo y
suelo. La determinación del momento de riego esta basado en:
a) Cálculo horario de la Evapotranspiración de referencia ETo según Penman-Monteith a partir
de los datos. In Situ de radiación solar, temperatura, humedad relativa y velocidad del viento
medidos con la estación meteorológica.

7. b) Cálculo de los valores de coeficiente de cultivo Kc a partir de las curvas generadas para la
estimación de la Evapotranspiración del cultivo y realizar el balance hídrico considerando la
profundidad actual de las raices y el factor de abatimiento de humedad permisible tambien a
partir de curvas (Figura 2).
c) Medición de la precipitación y estimación de la precipitación efectiva.
Como condición adicional para el inicio de riego en ambas estrategias se determinó que este
podía comenzar solo dentro del horario de las 0:00 a las 5:00 hrs. Ya que en este horario la
velocidad del viento era más baja y no se tenia efecto considerable sobre la distribución en la
aplicación del riego con los microaspersores.
En la Figura 5 se encuentra una descripción detallada de los cálculos realizados en cada
estrategía de riego.
El riego inicia cuando
la ETc acumulada
ETceN >= RAWak.
y la hora es: 0:00-5:00 am.
Cantidad de riego=ETceN acum
Estrategia 1:
Balance hídrico climático
con modelo de planta
Estimación horaria de la
Evapotranspiración de
referencia
ETo ( Penman-Monteith)
Una curva de factor de abatimiento
permisible „Fns“ es considerada
RAWak.= Fns x TAWak.
Una curva de Kc es utilizada para
calcular la ET del cultivo
ETc = Kc x ETo
La profundidad de la raíces
„We“ es considerada para
calcular la cantidad de agua
disponible TAWak.=nFKxWe
Humedad aprovechable
nFK = FC - PMP
La precipitación efectiva
„eN“ es estimada
ETceN = ETc - eN
Estrategia 2:
Medición directa de
la humedad de suelo
Medición horaria de la
humedad del suelo con 3
sensores de control TDR
a 30, 60 y 90 cm de la
planta a una profundidad
de
16 cm
El riego inicia con
la humedad
(<=) 35 Vol. %
Y la hora es:
0:00-5:00 am.
El riego termina cuando
se alcanza la
capacidad de campo
del suelo, FC
(hum. >= 39,1 Vol.%)
Fig. 5. Cálculos realizados en las estrategias de riego

8. Medición del contenido de agua en el suelo con sensores: Esta estrategia se basa en la
comparación horaria del contenido volumétrico de agua actual en el suelo medido con los
sensores TDR y dos valores umbrales de humedad predefinidos. Como valor inferior para iniciar
el riego se determinó un contenido volumétrico de agua de 35%, el cual corresponde al 80% de
la humedad aprovechable para este suelo. Cuando el valor promedio de la lectura de los tres
TDR´s alcanzaba la capacidad de campo (39.12 Vol.-%) el dataloger enviava una señal a la caja
de control de las válvulas magnéticas para apagar el riego.
Resultados y discusión
Con cada estrategia de riego, independientes entre si, se obtuvieron diferentes láminas de riego
aplicadas. Para la estrategia “Balance hídrico climático con modelos del cultivo” fue necesaria la
aplicación de una lámina de 148.4 mm repartida en siete riegos. La estrategia “Medición del
contenido de agua en el suelo con sensores TDR” requirió más agua, una lámina de 383 mm
repartidos en 26 riegos. Se considera que esta gran diferencia se debe a que con los sensores
TDR empleados se medía solamente una capa de suelo muy superficial (16cm) la cual se
secaba rapidamente y esto provocaba riegos muy frecuentes. La medicion de la humedad del
suelo usando sensores que posibilitan medir todo el perfil donde se encuentran las raices del
cultivo ayudaría a realizar riegos más adecuados.
Se tuvierón cinco fechas de cosecha comprendidas entre el 14 de agosto y 9 de octubre en las
cuales fueron medidos para cada una de las estrategias de riego el rendimiento en kg/m² y la
cantidad de frutos por m² y con esto poder calcular el peso promedio por fruto (kg/fruto). Los
valores obtenidos para cada una de las estrategias de riego y sus repeticiones se muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Consumos de agua y rendimientos para cada una de las estrtegias de riego.
Estrategia/
Repetición
Rendimiento
[kg m-2]
Frutos/m2 Peso del fruto
[kg/Fruto]
Riegos Agua
aplicada
[l m-2]
Producti-
vidad del
agua
[kg m-3]
1/1 2,47 2,35 1,05 7 148,4 16,64
1/2 2,02 2,05 0,99 7 148,4 13,61
1/3 2,89 2,44 1,18 7 148,4 19,47
1/4 3,74 2,76 1,36 7 148,4 25,20
Promedio 2,78 2,40 1,16 7 148,4 18,73
2/1 2,27 2,20 1,03 26 383,0 5,93
2/2 1,94 1,94 1,00 26 383,0 5,07
2/3 2,64 2,14 1,23 26 383,0 6,89
2/4 2,81 2,40 1,17 26 383,0 7,34
Promedio 2,42 2,17 1,12 26 383,0 6,32
Tal como se puede apreciar en la Tabla 1 el rendimiento y la cantidad de frutos resultarón ser
inversamente proporcional al consumo de agua, es decir, para la estrategia con medicion de
humedad de suelo se obtuvierón 2.42 kg/m² o 2.17 frutos/m². Un mejor rendimiento y mayor
cantidad de frutos se obtuvo con la estrategia de balance hídrico con modelos de cultivo,
2.78kg/m² o 2.4 frutos/m² y con esto mejores resultados conduciendo a una más alta eficiencia
en el uso del agua.

9. Se encontrarón también claras diferencias en la productividad del agua, en este aspecto la
estrategia con modelo de planta entrego similarmente los mejores resultados con 18.73 kg de
fruto por m³ de agua aplicada y asi una más alta productividad. El valor para la estrategia basada
en la medición de humedad fue sólo de 6.32 kg/m³.
Dicho de otra forma, la estrategia de balance hídrico con modelo de cultivo ofreció una mayor
eficiencia en el uso del agua con 53.4 litros de agua usados por kg de fruto pruducido. Por el
contrario la determinación del riego basada en la medición de humedad con sensores condujo no
sólo a un más bajo rendimiento sino también con 158.2 l/kg a una más baja eficiencia en el uso
del agua.
Conclusiones
Con la construcción modular de un sistema de riego automático se permite la determinación de
la aplicación de agua con criterios objetivos siguiendo una estrategia especifica. De acuerdo a la
estrategia de riego que se siga puede verse afectada la eficiencia en el uso del agua y los
rendimientos (peso y cantidad de frutos) que se obtengan, tal como se observo para el caso del
cultivo de calabaza.
Se puede también concluir con los resultados obtenidos que para mejorar un sistema que
determine el riego es necesario, y tiene mucho sentido la integración al sistema de valores
meteorológicos medidos In Situ, parametros especificos del suelo y modelos de desarrollo del
cultivo.
Un riego óptimo del cultivo permite por un lado un crecimiento óptimo y por otro lado un
considerable ahorro de agua.
Con la puesta a prueba del sistema de riego completamente automático y los resultados
arrojados se pudo constatar que este funcionó correcta y confiablemente, y debido a su
construcción modular para la alimentación y proceso separado de los parametros de clima, suelo
y cultivo se garantiza que el sistema desarrollado puede ser aplicado bajo diversos cultivos
suelos y condiciones climáticas.
La posibilidad de monitorear el sistema en linea a través de Internet o con otra Tecnología de
Información desde cualquier lugar que se disponga de un dispositivo en red y en cualquier
momento, permite un mayor control y tomar medidas correctivas en caso que se presentara
alguna eventualidad. Ya que el sistema se puede monitorear remotamente se ahorra tiempo y
costos de traslado cuando se evita en ocasiones desplazarse al lugar donde se encuentra el
cultivo bajo riego.
Literatura citada
IMTA, 1995. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje,
Projecto RD-95062 ”Pronóstico de Riego en Tiempo Real”
IMTA,1995b. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Coordinación de Tecnología de Riego y Drenaje,
Projecto RD-95062 “Diagnóstico de la Salinidad en el Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo, Sinaloa”
Aguila, F. M., 1997. “Alternativa Tecnológica y Organizacional para Mejorar la Eficiencia en el Uso del
Agua en la Agricultura. Pronóstico de Riego en Tiempo Real, Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo,
Sinaloa“. Tesis de maestria, Colegio de Postgraduados. Montecillo, México
Aguila, F. M., 2003. Entwicklung eines vollautomatischen Bewässerungsregelungssystems für den
Freilandgemüsebau. Editorial Verlag Grauer, Beuren - Stuttgart, Alemania. ISBN 3-86186-434-7