Comparative analysis of communication protocols for crop monitoring: Energy efficiency and data acquisition

Abstract

The rapid evolution of Internet-connected devices in agriculture has significantly transformed the sector, enabling the development of intelligent systems that enhance crop monitoring and resource management. These innovations have led to more effective and efficient agricultural practices, particularly through real-time data acquisition and remote monitoring, which are especially valuable for perennial and rotational crops with distinct growth cycles and environmental requirements. A key factor influencing the performance of such systems is the choice of communication protocol, which directly affects energy efficiency, data transmission reliability, and overall system performance. Selecting the most suitable protocol is therefore crucial to ensuring the autonomy and operational viability of smart monitoring solutions. This thesis presents a comparative analysis of three main communication protocols used in smart crop monitoring systems: Wi-Fi, LoRaWAN, and GSM/GPRS. Each of these technologies has unique characteristics that make it more appropriate for specific crop types and operational contexts. To ensure a fair and consistent comparison, the same set of sensors—measuring temperature, humidity, light, and soil moisture—was used across all tests. These sensors served solely as constant measurement instruments, allowing the study to focus exclusively on the energy consumption, autonomy, and communication performance of each protocol. The results provide valuable evidence for selecting the most suitable communication technology for energy-efficient, real-time crop monitoring and for the optimization of irrigation and fertilization processes.

A rápida evolução dos dispositivos conectados à Internet na agricultura tem transformado significativamente o setor, possibilitando o desenvolvimento de sistemas inteligentes que melhoram a monitorização das culturas e a gestão dos recursos. Estas inovações têm conduzido a práticas agrícolas mais eficazes e eficientes, sobretudo através da recolha de dados em tempo real e da monitorização remota, aspetos particularmente relevantes para culturas perenes e rotativas com distintos ciclos de crescimento e exigências ambientais. Um dos fatores determinantes para o desempenho destes sistemas é a escolha do protocolo de comunicação, que influencia diretamente a eficiência energética, a fiabilidade da transmissão de dados e o desempenho global do sistema. A seleção do protocolo mais adequado é, por conseguinte, essencial para garantir a autonomia e a viabilidade operacional das soluções de monitorização inteligente. A presente tese apresenta uma análise comparativa de três protocolos de comunicação amplamente utilizados em sistemas de monitorização agrícola inteligente: Wi-Fi (IEEE 802.11 Wireless LAN), LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) e GSM/GPRS (Global System for Mobile communications/ General Packet Radio Service) -. Cada uma destas tecnologias possui características específicas que a tornam mais adequada a determinados tipos de culturas e contextos operacionais. Para assegurar uma comparação justa e consistente, foi utilizado o mesmo conjunto de sensores — responsáveis pela medição da temperatura, humidade, luminosidade e humidade do solo — em todos os ensaios experimentais. Estes sensores funcionaram exclusivamente como instrumentos de medição constantes, permitindo que o estudo se focasse na avaliação do consumo energético, da autonomia e do desempenho de comunicação de cada protocolo. Os resultados obtidos fornecem evidências relevantes para a escolha da tecnologia de comunicação mais adequada à monitorização agrícola em tempo real, combinando eficiência energética com potencial para a otimização dos processos de rega e fertilização.