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 satelital entregando verdad terrestre en tiempo real, a resolución de campo, sin depender de internet.

El sistema opera en cuatro capas físicas y una capa de fusión en nube:

Capa 1 — Nodo Sensor (~$28.90/unidad, BOM híbrido validado)

Cada nodo TerraProbe es un dispositivo alojado en una caja intemperie IP 150×110×70 mm (ABS, sellada con silicona RTV Permatex gris, tornillos M4 inoxidables), energizado por panel solar de 2W + batería 18650 Li-ion 3.7V en portacelda local. Opera en ciclo de sueño profundo al 95% del tiempo — energéticamente positivo en cualquier latitud de LAC — y 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 (barra 6.35 mm, confirmación de grado obligatoria — el grado 304 sesga la lectura EC y se corroe) realiza un barrido de frecuencia continuo capturado por el ADC ADS1256 de 24 bits (importado, LCSC C28186 — no existe localmente). 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). Tres sensores comerciales de $80 cada uno reemplazados por un par de electrodos de $2.25.

ISFET de pH (sensor DIY BS170). Un MOSFET BS170 (gate SiO₂ expuesto, importado vía LCSC C916033 — el MOSFET genérico local de Casa Rivas no está confirmado como BS170 con gate accesible) junto a un electrodo de referencia Ag/AgCl de fabricación propia: hilo de plata 0.5 mm clorurado con NaOCl doméstico (disponible en supermercado) + gel PVA/KCl. El MOSFET opera en configuración seguidor de fuente con amplificador de instrumentación INA826 (G=20×, importado LCSC C526783). Sensibilidad: 30–40 mV/pH. Resolución con ADS1256 de 24 bits: ±0.05 pH. Calibración obligatoria con sobres pH 4/7/10 (importar, ~$0.30/nodo amortizados).

Extensión TOF (flujo de agua intersticial). Basado en 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. Resultado: velocidad de flujo de agua en el suelo — completamente inaccesible desde el espacio — con linealidad R=0.9991 en el rango operativo.

Radio LoRa (SX1276 915 MHz). El módulo SX1276 RA-02 se importa a $4.20/u vía AliExpress — el módulo local de Casa Rivas opera en 868 MHz (banda europea) y es incompatible con la banda Americas/El Salvador de 915 MHz. SF10, <20 mW de potencia de transmisión. Cada paquete contiene: ID de nodo, timestamp GPS, impedancia compleja (4 frecuencias clave), pH, EC, temperatura, velocidad de flujo TOF, nivel de batería.

Antena. Dipolo sleeve de fibra de vidrio 915 MHz, 200 mm, montado sobre mástil PVC de 80 cm sobre la caja para clearance de cultivos. Conectores SMA sellados con cinta auto-amalgamante.

Capa 2 — Gateway Edge con Raspberry Pi (offline-first)

El gateway está compuesto por una Raspberry Pi 4 alojada en una caja metálica ventilada dentro de una estructura de campo (bodega, rancho), conectada a un módulo ESP32-S3 + SX1276 915 MHz que actúa como root node LoRa. La Pi corre:

• Mosquitto MQTT broker — recibe paquetes de la mesh LoRa
• SQLite / PostgreSQL local — semanas de datos sin conectividad
• Python pipeline de fusión — Score de Salud de Suelo calculable completamente offline con los datos del gateway, sin necesidad de Copernicus cloud
• WiFi AP local — el técnico conecta su teléfono al AP de la Pi para ver el dashboard sin internet

Conectividad a internet (dos opciones, sin dependencia de ninguna):

• Opción A — Starlink: Antena circular blanca en poste exterior, $35/mes plan roaming. La Pi se conecta al router Starlink por Ethernet.
• Opción B — Hotspot 4G + antena direccional: Teléfono con datos móviles en repisa interior, conectado a antena Yagi/panel exterior vía adaptador USB-C → TS9 ($10–20). Rango de cobertura extendida: 30–50 km en terreno plano. La Pi se conecta al hotspot por WiFi. Costo: plan de datos existente del técnico.

Cuando hay señal, la Pi sincroniza vía MQTT en lotes comprimidos (zlib + MsgPack). Sin señal, sigue midiendo y almacenando indefinidamente.

Capa 3 — Mesh LoRa en cadena (topología relay lineal)

Los nodos sensor se despliegan en cadena sobre el campo en postes galvanizados tipo T a 1.2 m de altura. Cada nodo opera en modo dual: toma sus propias lecturas de suelo Y reenvía paquetes de nodos más lejanos hacia el root node. El root node (conectado a la Pi por UART/SPI) centraliza todos los paquetes en un gateway de campo sin internet.

Protocolo de relay: Esquema TDMA de ranuras fijas. El técnico registra el tiempo de vuelo de señal durante el survey de instalación y asigna ranuras de transmisión de 2 s por nodo (Node A en T+0, B en T+2, C en T+4…). La Pi conoce el schedule y espera todos los slots antes de procesar. Esto evita colisiones sin necesitar protocolo de coordinación complejo.

Survey de señal pre-instalación: Antes de fijar cualquier nodo, se realiza un survey con dos unidades ESP32+SX1276 en "firmware de encuesta": una transmite paquetes cada 2 s con contador, la otra reporta RSSI | SNR | pkt# por serial. El técnico camina el campo con el receptor a la altura real de instalación (30–50 cm) y registra GPS + RSSI + SNR en CSV. Regla de instalación: mantener RSSI > –110 dBm con al menos 40% de margen.

Alcance por hop: 200–400 m en campo con cultivos maduros (RSSI –85 a –100 dBm a 1.2 m de altura). Hasta 15 km en línea de vista despejada.

Capa 4 — Fusión Copernicus (nube)

Cuando los datos llegan al servidor (por Starlink, 4G, o descarga manual del técnico), se ejecuta el pipeline de fusión:

Dataset	Uso en TerraProbe
Sentinel-2 SR (S2_SR_HARMONIZED)	NDVI / NDWI / EVI + calibración cruzada con datos EC del sensor
Sentinel-1 SAR GRD	Estimación de humedad superficial independiente de nubes
ERA5 (Copernicus Climate Change Service)	Estrés térmico, precipitación, evapotranspiración histórica

Interpolación Kriging ordinario: Los 4+ nodos por campo producen un mapa continuo de pH, EC y humedad. Este mapa calibra los píxeles Sentinel-2 de 10×10 m rompiendo la degeneración espectral:

• EC sube + NDVI cae → salinidad
• Humedad cae + NDVI cae → sequía
• Humedad y EC normales + NDVI cae → enfermedad o deficiencia de nutrientes

Output: Score de Salud de Suelo (0–100) por parcela, con recomendaciones de manejo accionables en menos de 24 horas desde la lectura del sensor. Los sensores validan el satélite. El satélite amplifica los sensores.

Stack Tecnológico / Tech Stack

Capa	Tecnología	Notas
Firmware nodo	C / ESP-IDF v5 + FreeRTOS	Cole-Cole solver en float, deep sleep FSM
Serialización	MsgPack (nanopb)	Paquetes binarios compactos por LoRa
Gateway Pi	MicroPython + C ext. crítica	SQLite buffer, MQTT sync, AP WiFi
Backend API	.NET 8 (C#)	Ingest MQTT, auth JWT, REST API
Pipeline Copernicus	FastAPI (Python)	GEE SDK, gstools Kriging, scipy
Base de datos	PostgreSQL + TimescaleDB + PostGIS	Series temporales + geo-interpolación
Message broker	EMQX	MQTT TLS, tokens por gateway
Workers async	Celery + Redis	Jobs de fusión cada 24 h
Frontend	React 19 + MapLibre GL + PWA	Offline cache, overlay Sentinel rasters
DevOps	Docker Compose + GitHub Actions + Railway	CI/CD, deploy automático
Firmware build	PlatformIO	Toolchain ESP32-S3

Monorepo: firmware/node, firmware/gateway, backend/api, backend/copernicus, frontend, infra, docs/hardware.

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.

Confirmaciones de campo pendientes para Fase 1:

• Grado metalúrgico de las barras inoxidables de Vidri (316L requerido, 304 sesga EC)
• Caracterización del MOSFET genérico de Casa Rivas como BS170 (gate SiO₂ expuesto)
• Validación del pipeline de fusión contra análisis de laboratorio de referencia (3 fincas piloto)

Modelo de Negocio / Business Model

TerraProbe opera un modelo B2B2C donde la infraestructura se financia a través de clientes institucionales y llega gratuita o subsidiada al pequeño productor. El arrendamiento del equipo con servicio incluido es el eje central — el productor nunca compra hardware, lo usa.

Arrendamiento con servicio — Pequeños y medianos agricultores USD $100/manzana/mes. Incluye nodos instalados, calibración periódica, mantenimiento preventivo y acceso al Score de Salud de Suelo en tiempo real vía aplicación móvil. El agricultor no invierte en hardware ni en laboratorio — paga por resultado. Para productores en zonas sin conectividad, el sistema opera completamente offline y sincroniza cuando hay señal disponible.

SaaS — Cooperativas y asesores técnicos USD $1,000–$6,000/año por cooperativa, según número de productores y hectáreas cubiertas. Incluye gestión de múltiples parcelas, dashboard histórico, exportación de datos, capacitación sobre uso del dispositivo e interpretación de resultados. Una cooperativa de 50 productores accede a infraestructura de monitoreo de suelo que individualmente sería inaccesible.

Enterprise API — Aseguradoras, bancos e instituciones Motor de riesgo de suelo como Data-as-a-Service. Las aseguradoras agrícolas usan el score para evaluación objetiva de siniestros y diseño de seguros paramétricos. Los bancos lo integran en modelos de crédito agrícola. Las instituciones gubernamentales y de protección civil lo usan para predicción de riesgos por sequías e inundaciones. Este segmento financia la infraestructura que sostiene los tiers inferiores.

Venta directa de nodos — Investigación e instituciones USD $60–70/nodo en producción piloto para universidades, centros de investigación, ONGs, ministerios de agricultura y organismos de cooperación internacional. Incluye margen de soporte técnico y calibración inicial. Los datos generados por estas redes retroalimentan la base de datos de suelos y cultivos salvadoreños que mejora los modelos de fusión Copernicus.

Apoyo financiero — ONGs y cooperación internacional Mecanismo de subsidio cruzado: organismos de cooperación internacional (FAO, IICA, GIZ) y ONGs financian el despliegue de nodos para pequeños agricultores que no pueden costear el arrendamiento. TerraProbe opera la red, los datos son del productor, el financiamiento viene del cooperante.

Socios clave que activan el modelo: Ministerio de Agricultura y Ganadería de El Salvador, Centro Nacional de Tecnología Agropecuaria y Forestal (CENTA), universidades nacionales, cooperativas agrícolas, proveedores de componentes electrónicos y celdas solares, y organismos de cooperación internacional enfocados en agricultura y medioambiente.

Canales de llegada al mercado: Alianzas directas con asociaciones de agricultores y cooperativas para acceder a productores en campo. Venta directa a productores individuales. Redes sociales y comercio electrónico para el segmento técnico y profesional. El técnico de campo que instala los nodos y realiza el survey de señal LoRa es también el primer punto de contacto comercial.

Mercado inmediato: El Salvador tiene ~270,000 productores agrícolas, de los cuales ~180,000 son pequeños productores sin acceso a análisis de suelo. A USD $100/manzana/mes, una penetración del 1% del segmento de cooperativas representa un mercado de ~$2M anuales solo en El Salvador. En escala LAC: más de 8 millones de pequeños productores en el Corredor Seco centroamericano y zonas de riesgo climático identificadas por Copernicus — con programas activos como MERIAN (FAO/UE, $5.7M) listos para integrar infraestructura de verdad terrestre validada.

Impacto / Impact

Degeneración satelital resuelta. TerraProbe es el único sistema en 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.

60× más barato. USD $289 por campo (10 nodos + gateway) vs. USD $15,000–50,000 de una campaña tradicional de verdad terrestre.

Offline-first para el 40% de LAC. El gateway Pi con SQLite opera indefinidamente sin internet. El Score de Salud puede calcularse completamente en campo. 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.

Mesh LoRa resiliente. Topología de cadena relay lineal: cada nodo actúa como sensor y como repetidor. Un campo de 2 km se cubre con 10 nodos encadenados usando una sola conexión a internet en el gateway Pi. Si un nodo falla, los nodos aguas abajo siguen midiendo y almacenando localmente hasta que se restaura la cadena.

TerraProbe — Resumen de Avance

Hemos completado la fase de investigación y diseño arquitectónico del sistema. Definimos la pila tecnológica completa — Raspberry Pi Pico como ADC y controlador de sensores, Raspberry Pi como gateway de red, y servidor FastAPI con PostgreSQL/TimescaleDB y fusión satelital Copernicus — junto con el protocolo de comunicación entre capas via UART y HTTPS.

Resolvimos el problema central de hardware: los sensores de pH y TDS son instrumentos de inmersión líquida y no pueden contactar suelo directamente. Diseñamos un sistema de extracción de agua intersticial basado en mecha de fibra de vidrio y celda de medición gravitacional, con retorno pasivo al suelo, costo estimado bajo $15 USD por nodo.

Incorporamos detección de lluvia con máquina de estados que protege la integridad de los datos durante eventos de precipitación, y diseñamos desde el inicio un pipeline de machine learning de cuatro etapas que convierte cada lectura en dato de entrenamiento estructurado — con visión de largo plazo hacia un clasificador de eventos hidroclimáticos y predictor de estrés hídrico entrenado sobre la firma multivariable de los sensores.

Iniciamos ahora la fase de codificación incremental con el firmware MicroPython del Pico como primer sprint.