TerraProbe

TerraProbe — Ground Truth Infrastructure for Satellite-Calibrated Soil Intelligence

Red densa de sensores de suelo de bajo costo que entrega la capa de verdad terrestre que los satélites Copernicus no tienen — midiendo pH, humedad, salinidad y flujo de agua directamente en el campo, fusionando esos datos con Sentinel-2 para convertir imágenes satelitales en decisiones agronómicas reales. Sin internet requerido. Sin laboratorio. Sin shapefile.

El Problema / The Problem

Los satélites Copernicus lo ven todo. Pero no entienden nada.

Cuando el NDVI de Sentinel-2 cae en un campo, la imagen satelital no puede distinguir entre cuatro causas completamente distintas: estrés hídrico, intrusión de salinidad, deficiencia de nutrientes, o enfermedad fúngica. Desde 786 km de altitud, todas se ven igual. Este es el problema de degeneración espectral — y ningún proyecto de software lo puede resolver sin datos del suelo.

El resultado es que el 90% de los pequeños productores de LAC reciben alertas que dicen "algo está mal" sin decirles qué hacer.

Cuatro brechas concretas definen el problema:

01 — La degeneración espectral satelital. Los índices espectrales como NDVI, NDWI o EVI no discriminan entre causas de estrés. Un campo con salinidad severa y uno con sequía moderada producen firmas satelitales idénticas a 10 metros de resolución.

02 — La verdad terrestre cuesta $50,000+. Las campañas de calibración que los científicos usan para validar imágenes satelitales requieren equipos de laboratorio, técnicos de campo, y semanas de muestreo. Inaccesible para el 90% de los productores de LAC.

03 — El 40% de LAC no tiene conectividad confiable. Las soluciones basadas en nube fallan exactamente donde más se necesitan. El campo rural centroamericano necesita infraestructura offline-first, no otro dashboard que requiere WiFi.

04 — Sentinel-2 tiene resolución mínima de 10 metros. Dentro de un solo píxel satelital, el pH del suelo puede variar de 5.5 a 7.8. Esa variabilidad espacial es completamente invisible desde el espacio — pero determina si una planta vive o muere.

La Solución / The Solution

TerraProbe es una red de sensores de suelo de bajo costo que resuelve la degeneración espectral satellite entregando verdad terrestre en tiempo real, a resolución de campo, sin depender de internet.

El sistema opera en tres capas:

Capa 1 — Nodo Sensor 

Cada nodo TerraProbe es un dispositivo IP67 energizado por panel solar de 2W + batería LiPo de 3000 mAh. Opera en ciclo de sueño profundo al 95% del tiempo, lo que lo hace energéticamente positivo en cualquier latitud de LAC. Mide cuatro parámetros del suelo con un solo acto de inserción:

Espectroscopía de impedancia (10 Hz – 1 MHz): Un par de electrodos de acero inoxidable 316L realiza un barrido de frecuencia continuo. El espectro de impedancia complejo Z*(ω) se ajusta al modelo Cole-Cole:

Z*(ω) = R∞ + (R₀ − R∞) / (1 + (jωτ)^α)

De este ajuste se extraen tres parámetros físicamente significativos: R∞ (resistencia a alta frecuencia → contenido volumétrico de agua), R₀ (resistencia a baja frecuencia → conductividad eléctrica / salinidad), y τ (tiempo de relajación → firma de textura del suelo: arcilla vs arena vs limo). Esto es física del estado sólido aplicada a la electroquímica del suelo — tres sensores comerciales de $80 cada uno reemplazados por un par de electrodos.

ISFET de pH (sensor DIY BS170): Un MOSFET BS170 con el óxido de puerta SiO₂ expuesto directamente a la solución del suelo, junto a un electrodo de referencia Ag/AgCl de fabricación propia (hilo de plata clorurado + gel de PVA/KCl). El MOSFET opera en configuración seguidor de fuente con amplificador de instrumentación INA826 (G=20×). Sensibilidad: 30–40 mV/pH. Resolución con ADC ADS1256 de 24 bits: ±0.05 pH. 

Extensión TOF (flujo de agua intersticial): Basado en el trabajo de Dubruel et al. (Sensors, 2003), un pulso de 30 µA electroliza agua en el electrodo upstream generando iones H⁺/OH⁻. Un segundo punto de detección ISFET aguas abajo mide el tiempo de vuelo Δtm entre los máximos de señal. El resultado es la velocidad de flujo de agua en el suelo — un parámetro completamente inaccesible desde el espacio — con linealidad R=0.9991 en el rango operativo.

Radio LoRa: Módulo SX1276 en 915 MHz, SF10, menos de 20 mW de potencia de transmisión. Alcance: 5–15 km. Cada paquete contiene: ID de nodo, timestamp GPS, impedancia compleja (4 frecuencias clave), pH, EC, temperatura, velocidad de flujo TOF.

Capa 2 — Gateway Edge (offline-first)

Un segundo ESP32-S3 actúa como concentrador LoRa. Almacena lecturas en SQLite local — semanas de datos sin conectividad. Cuando hay señal disponible, sincroniza via MQTT en lotes comprimidos. No existe dependencia de nube en tiempo real. El gateway puede operar indefinidamente sin internet y sincronizar cuando pasa un técnico con un hotspot móvil.

Capa 3 — Fusión Copernicus (nube)

Cuando los datos llegan al servidor, se ejecuta un pipeline de fusión con datos Copernicus:

• Sentinel-2 SR: Mosaicos medianos con cloud masking (CLOUDY_PIXEL_PERCENTAGE < 20%). NDVI, NDWI, EVI calculados por píxel sobre el área del campo.
• Sentinel-1 SAR: Retrodispersión en VV/VH para estimación de humedad de suelo superficial independiente de nubes.
• NASA POWER / ERA5: Estrés térmico, evapotranspiración de referencia, datos climáticos históricos.
• Interpolación Kriging: Los 10+ nodos por campo producen un mapa continuo de pH, EC y humedad por Kriging ordinario. Este mapa calibra los píxeles Sentinel-2 rompiendo la degeneración espectral: cuando EC sube y NDVI cae simultáneamente → salinidad. Cuando la humedad cae y NDVI cae → sequía. Cuando humedad y EC son normales pero NDVI cae → enfermedad o deficiencia de nutrientes.

El output es un Score de Salud de Suelo (0–100) por parcela, con recomendaciones de manejo accionables en menos de 24 horas desde la lectura del sensor.

Datos de Copernicus Utilizados / Copernicus Data Used

DatasetUso en TerraProbe

La integración con Copernicus es arquitectural, no decorativa: sin los datos de Sentinel-2, el sistema produce un mapa de suelo puntual. Con Sentinel-2, el sistema calibra píxeles de 10m × 10m, extiende la cobertura espacial entre nodos, y produce alertas a escala de campo completo. Los sensores validan el satélite. El satélite amplifica los sensores.

Validación Técnica / Technical Validation

El modelo Cole-Cole para espectroscopía de impedancia en suelos está ampliamente validado en literatura científica con error relativo < 5% en estimación de contenido volumétrico de agua.

El módulo ISFET-TOF para medición de velocidad de flujo está validado por Dubruel et al. (Sensors 2003, DOI: 10.3390/s30600202), con calibración lineal R=0.9991 en rango 0.1–0.6 ml/min usando ISFET con óxido Ta₂O₅. Nuestra implementación con SiO₂ (BS170 DIY) replica el principio con sensibilidad reducida (30–40 mV/pH vs 55–58 mV/pH) — suficiente para resolución de ±0.05 pH con el ADC de 24 bits.

El pipeline de fusión Copernicus usa metodología establecida: Kriging ordinario para interpolación espacial de propiedades de suelo (Goovaerts 1997), y calibración cruzada NDVI-EC validada en múltiples estudios de teledetección agrícola.

Modelo de Negocio / Business Model

TerraProbe opera un modelo B2B2C donde la infraestructura se financia a través de clientes institucionales y llega gratis o subsidiada al pequeño productor:

Freemium — Pequeños productores: Score de salud de suelo básico + alertas de emergencia. USD $0. Financiado por el tier Enterprise.

SaaS — Cooperativas y asesores técnicos: Gestión de múltiples parcelas, dashboard histórico, exportación de datos. USD $30–80/mes por cooperativa (cubre 20–50 productores).

Enterprise API — Aseguradoras agrícolas y bancos: Motor de riesgo de suelo para evaluación de siniestros, crédito agrícola y seguros paramétricos. Por análisis (Data-as-a-Service). Este segmento financia la infraestructura para los niveles inferiores.

Hardware — Venta directa de nodos: Para gobiernos, ONGs e institutos de investigación que deseen desplegar su propia red. USD $60-70/nodo en producción piloto.

El mercado inmediato en El Salvador: ~270,000 productores agrícolas, de los cuales ~180,000 son pequeños productores sin acceso a análisis de suelo. En escala LAC: >8 millones de pequeños productores en el Corredor Seco centroamericano y zonas de riesgo climático identificadas por Copernicus.

Impacto / Impact

Degeneración satelital resuelta: TerraProbe es el único sistema de la competencia que rompe el problema de degeneración espectral de Sentinel-2 con datos físicos de suelo en tiempo real. Cuando NDVI cae, sabemos por qué.

Offline-first para el 40% de LAC: El gateway edge con SQLite opera indefinidamente sin internet. No existe dependencia de nube en tiempo real. Diseñado para el Corredor Seco y zonas rurales sin conectividad.

4 parámetros, 1 inserción: Humedad volumétrica, EC/salinidad, pH, velocidad de flujo de agua intersticial — todo desde un único acto de inserción de la sonda. Sin tubos, sin reactivos, sin laboratorio.

Energía perpetua: 2W solar + ciclo de sueño profundo al 95% = balance energético positivo en cualquier latitud entre los trópicos. Operación indefinida sin mantenimiento de batería.

Soberanía del dato: Los datos del productor nunca salen de su gateway local sin su consentimiento. La arquitectura offline-first garantiza que la información agronómica sensible no requiere exposición a servidores externos para funcionar.

Equipo / Team

Brando Marq

Tecnico electrónico. Diseña la sonda de espectroscopía de impedancia, el sensor ISFET DIY de pH, el firmware ESP32-S3, el pipeline de fusión Copernicus, y la arquitectura de software completa. Experiencia en sistemas de sensores embebidos y desarrollo full-stack.

LORENA ALIPAZAGA - ING. AGRÓNOMA

Roadmap / Hoja de Ruta

Fase 0 — Hackathon (Mayo–Junio 2026): Prototipo funcional con sensores reales, pipeline Copernicus operativo, dashboard MVP. Demo en vivo con datos de suelo reales.

Fase 1 — Piloto El Salvador (Q3 2026): 3 fincas, 30 nodos, 3 meses de datos continuos. Validación del pipeline de fusión Copernicus contra análisis de laboratorio de referencia. Alianza con cooperativas locales.

Fase 2 — Producción (Q4 2026): PCB v2 con Ta₂O₅ anódico en el gate ISFET (mejora sensibilidad a 55 mV/pH sin cleanroom). Reducción de BOM a <$22/nodo a qty 500. Primer cliente Enterprise API (aseguradora o banco agrícola).

Fase 3 — Escala LAC (2027): Despliegue en Guatemala, Honduras, Panamá. Integración con programas del MAG El Salvador y MERIAN (FAO/UE, $5.7M activo). Red de 10,000+ nodos como capa de verdad terrestre para toda la región.

Referencias / References

• Dubruel, P. et al. (2003). Flow-velocity sensor based on ISFET array. Sensors, 3(6), 202–212. DOI: 10.3390/s30600202
• Cole, K.S. & Cole, R.H. (1941). Dispersion and absorption in dielectrics. Journal of Chemical Physics, 9, 341.
• Goovaerts, P. (1997). Geostatistics for Natural Resources Evaluation. Oxford University Press.
• ESA Copernicus. Sentinel-2 User Handbook. ESA Standard Document.
• IICA (2024). Conectividad rural en América Latina y el Caribe.
• Ministerio de Agricultura y Ganadería El Salvador (2026). Inversión sectorial 2026: $87.5M.

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