Blockchain and IoT for Secure and Automated Smart Irrigation Systems

Abstract

Este proyecto desarrolla un prototipo de sistema de riego inteligente que integra dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) con tecnología blockchain para lograr una gestión agrícola del agua segura, transparente y automatizada. El sistema emplea nodos de sensores basados en ESP32 para medir humedad del suelo, temperatura, humedad ambiental e intensidad lumínica. Los datos se transmiten mediante LoRa a una pasarela Raspberry Pi 4, que actúa como procesador local y oráculo blockchain. La pasarela filtra y valida las lecturas, y envía las actualizaciones relevantes a la blockchain Polygon utilizando librerías Web3. Los contratos inteligentes, escritos en Solidity y desplegados en la testnet Amoy de Polygon, codifican la lógica de riego, aplican umbrales ambientales y generan un registro inmutable y verificable de las decisiones. La arquitectura sigue un enfoque híbrido edge–blockchain: el preprocesamiento en la pasarela reduce interacciones redundantes, disminuyendo el consumo energético y los costes de transacción, mientras que la blockchain asegura transparencia y trazabilidad de los eventos de riego. La validación se realizó mediante escenarios simulados, incluyendo condiciones normales y casos de seguridad (desactivar el riego durante altas temperaturas). Los registros confirmaron la correcta ejecución de las reglas, con costes de transacción inferiores a un céntimo por día, muy por debajo de los de plataformas IoT en la nube. Aunque la conectividad LoRa y la actuación física no se implementaron por completo, los resultados demuestran la viabilidad de combinar IoT y blockchain para la automatización agrícola descentralizada. El prototipo sienta las bases para futuras pruebas en campo, integración de oráculos descentralizados, alimentación renovable de nodos y modelos predictivos de riego. El sistema contribuye a una agricultura sostenible al optimizar el uso del agua, reducir costes y alinearse con los Objetivos de Desarrollo Sostenible sobre agua, innovación y gestión responsable de recursos.

This project develops a prototype of a smart irrigation system that integrates Internet of Things (IoT) devices with blockchain technology to achieve secure, transparent and automated agricultural water management. The system employs ESP32-based sensor nodes to measure soil moisture, temperature, humidity and light intensity. Data is transmitted via LoRa to a Raspberry Pi 4 gateway, which acts as both local processor and blockchain oracle. The gateway filters and validates sensor readings, then commits relevant updates to the Polygon blockchain using Web3 libraries. Smart contracts, written in Solidity and deployed on the Polygon Amoy testnet, encode irrigation logic, enforce environmental thresholds and provide an immutable, verifiable log of decisions. The architecture follows a hybrid edge–blockchain approach: pre-processing at the gateway reduces redundant blockchain interactions, lowering energy use and transaction costs, while blockchain ensures transparency and traceability of irrigation events. Validation was performed through simulation scenarios, including normal conditions and safety overrides (halting irrigation during high temperatures). Logs confirmed correct execution of smart contract rules, with blockchain transaction costs remaining below one cent per day, significantly cheaper than conventional cloud IoT platforms. Although LoRa connectivity and physical actuators were not fully implemented within the project timeframe, the results demonstrate the feasibility of combining blockchain and IoT for decentralized agricultural automation. The prototype lays a solid foundation for future work, including field deployment, integration of decentralized oracle networks such as Chainlink, renewable energy powering of sensor nodes and predictive irrigation models. The system contributes to sustainable agriculture by optimizing water use, reducing costs and aligning with UN Sustainable Development Goals on clean water, innovation, and responsible resource management.