PROTOTIPO DE CONTROL PARA UN CULTIVO DE TOMATE CHERRY EN UN INVERNADERO

EDISON FABIAN ACOSTA MELO DANIEL ANDRES LEON LOVERA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES TRABAJO DE GRADO BOGOTÁ D.C. 2015

PROTOTIPO DE CONTROL PARA UN CULTIVO DE TOMATE CHERRY EN UN INVERNADERO

EDISON FABIAN ACOSTA MELO (701683) DANIEL ANDRES LEON LOVERA (701909)

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico y de Telecomunicaciones

Director MSc. CARLOS CASTILLO MEDINA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES TRABAJO DE INVESTIGACIÓN BOGOTÁ D.C. 2015

Nota de Aceptación

_____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________

____________________________ Firma del presidente del jurado

____________________________ Firma del jurado

____________________________ Firma del jurado

Bogotá, 18, noviembre, 2015

CONTENIDO INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 14 1

ANTECEDENTES ............................................................................................. 1

1.1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 5

1.1.1 Descripción del problema:. ............................................................................ 5 1.1.2 Formulación del problema: ............................................................................ 6 1.2 OBJETIVOS .................................................................................................. 6 1.2.1 Objetivo General: .......................................................................................... 6 1.2.2 Objetivos Específicos: ................................................................................... 6 1.3 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 7 1.4

DELIMITACIÓN ............................................................................................. 7

1.4.1 Espacio:......................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.4.2 Tiempo: ......................................................................................................... 7 1.4.3 Contenido: ..................................................................................................... 8 1.4.4 Alcance:......................................................................................................... 9 2 MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 10 2.1

INVERNADERO .......................................................................................... 10

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2

Parámetros para la construcción de un invernadero:. ................................. 10 Invernadero a dos aguas con diente de sierra: ........................................... 11 Radiación Solar:. ......................................................................................... 12 Ventajas de la producción bajo invernadero:............................................... 12 Desventajas de la producción bajo invernadero: ......................................... 13 TOMATE CHERRY ..................................................................................... 13

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.3

Clima y suelo en el cultivo de tomate: ......................................................... 14 Temperatura: ............................................................................................... 14 Humedad: .................................................................................................... 15 Luminosidad: ............................................................................................... 16 Terreno: ....................................................................................................... 17 Tutorado del tomate: ................................................................................... 18 COTA CUNDINAMARCA ............................................................................ 18

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4

Clima: .......................................................................................................... 19 Economía: ................................................................................................... 20 Visión:.......................................................................................................... 20 NIVELES DE AUTOMATIZACION .............................................................. 20

2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5

Sistemas de control: .................................................................................... 21 Planta G(s): ................................................................................................. 21 Controlador Gc(s): ....................................................................................... 21 Sensor H(s): ................................................................................................ 22 Actuador: ..................................................................................................... 25

2.4.6 Transmisor:. ................................................................................................ 28 2.5 REDES ........................................................................................................ 28 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6

Redes de Área Local (LAN):........................................................................ 28 Medios de Comunicaciones:. ...................................................................... 29 Topologías de Red: ..................................................................................... 31 PROGRAMACIÓN ...................................................................................... 32

2.6.1 Lenguaje C++:. ............................................................................................ 33 2.6.2 Lenguaje Java: ............................................................................................ 33 3 DISEÑO GENERAL ........................................................................................ 35 3.1

ENTRADAS ................................................................................................. 35

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2

Temperatura:. .............................................................................................. 35 Humedad: .................................................................................................... 37 Luminosidad: ............................................................................................... 39 PROCESOS ................................................................................................ 41

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3

PLC:. 41 Microcontrolador: ......................................................................................... 41 Raspberry Pi:............................................................................................... 42 Arduino Uno:. .............................................................................................. 43 SALIDAS ..................................................................................................... 44

3.3.1 Extractores: ................................................................................................. 44 3.3.2 Válvula de apertura: .................................................................................... 46 3.3.3 Motores: ...................................................................................................... 47 4 DISEÑO DETALLADO .................................................................................... 48 4.1

PLANO MAQUETA ..................................................................................... 48

4.2

PLANO CIRCUITO ELECTRÓNICO ........................................................... 49

4.3

ALGORITMO DE CONTROL ...................................................................... 50

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4

Subsistema de regulación: .......................................................................... 50 Subsistema de control temperatura:. ........................................................... 51 Subsistema de control de humedad:. .......................................................... 53 Subsistema de control de luz: ..................................................................... 53 TOPOLOGIA DE RED ................................................................................. 54

5

IMPLEMENTACIÓN ........................................................................................ 55

5.1

MONTAJE DE ESTRUCTURA DEL INVERNADERO ................................. 55

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7

Diseño del invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry:..55 Descripción del diseño: ............................................................................... 56 Componentes: ............................................................................................. 56 Dimensiones del invernadero: .................................................................... 58 Disponibilidad de los materiales:. ................................................................ 58 Condiciones de aprovechamiento: .............................................................. 58 Materiales e instrumentos: .......................................................................... 58

5.1.8 Herramientas:. ............................................................................................. 58 5.1.9 Construcción:. ............................................................................................. 59 5.2 ELABORACIÓN Y PRUEBA DE CIRCUITO ............................................... 61 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3

Sistema de lectura:. ..................................................................................... 61 Sistema autónomo:. .................................................................................... 62 Etapa de potencia: ...................................................................................... 64 MONTAJE DE CIRCUITOS Y CONTROLADORES EN MAQUETA ........... 65

5.3.1 Tablero de mando: ...................................................................................... 65 5.3.2 Construcción y montaje de circuitos: ........................................................... 65 5.4 MONTAJE DE SENSORES Y ACTUADORES ........................................... 65 5.4.1 Dispositivos de accionamiento: ................................................................... 65 5.5 MONTAJE DE CAMARA DE VIDEO ........................................................... 66 5.6 6 6.1

INTEGRACIÓN CON DISPOSITIVOS MOVILES ....................................... 68 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................ 69 PRUEBAS DE TEMPERATURA ................................................................. 69

6.1.1 Temperatura máxima: ................................................................................. 69 6.1.2 Temperatura mínima: .................................................................................. 70 6.2 PRUEBAS DE LUMINOSIDAD ................................................................... 70 6.3

PRUEBAS DE HUMEDAD .......................................................................... 71

6.3.1 Humedad mínima: ....................................................................................... 72 6.3.2 Humedad máxima: ...................................................................................... 72 6.4 PRUEBA DE SISTEMA DE VIDEO ............................................................. 72 6.5 7

PRUEBA DE CONTROL CON DISPOSITIVO ANDROID ........................... 73 CONCLUSIONES ............................................................................................ 75 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 77 ANEXOS ......................................................................................................... 79

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Tomate de mesa cosechado por hectárea, según departamento, 2013 .. 1 Figura 2 - Invernadero tipo capilla a dos aguas con diente de sierra ..................... 11 Figura 3 - Radiación Solar en el Invernadero ........................................................ 12 Figura 4 - Tomate Cherry ....................................................................................... 13 Figura 5 - Cultivo de Tomate en Invernadero......................................................... 16 Figura 6 - Tipos de tutorado del tomate ................................................................. 18 Figura 7 - Mapa municiopio de Cota, Cundinamarca ............................................. 19 Figura 8 - Sensores por funcionamiento ................................................................ 22 Figura 9 - Sensores por tipo de señal .................................................................... 23 Figura 10 - Sensores por funcionamiento .............................................................. 24 Figura 11 - Sensores por fabricación ..................................................................... 24 Figura 12 - Principio de funcionamiento del Relé................................................... 26 Figura 13 - Diagrama medios de comunicación ..................................................... 29 Figura 14 - Cable trenzado .................................................................................... 30 Figura 15 - Clasificación Redes Inalámbricas ........................................................ 30 Figura 16 - Topologías de red ................................................................................ 31 Figura 17 - Diagrama general de un sistema de control ........................................ 35 Figura 18 - Diagrama de bloques (Sensor de Temperaura) .................................. 36 Figura 19 - Sensor de Temperatura ....................................................................... 37 Figura 20 - Sensor de Humedad ............................................................................ 38 Figura 21 - Diagrama de bloque (Sensor de luminosidad) ..................................... 40 Figura 22 - Esquema de Sensor de Luminosidad .................................................. 40 Figura 23 - PLC (Controlador Lógico Programable)............................................... 41 Figura 24 - Microcontrolador .................................................................................. 42 Figura 25 - Raspberry Pi 2 ..................................................................................... 43 Figura 26 - Arduino UNO ....................................................................................... 43 Figura 27 - Foto 1, Invernadero en Cota (Cundinamarca) ..................................... 44 Figura 28 - Foto 2, Invernadero en Cota (Cundinamarca) ..................................... 44 Figura 29 - Electroalvula 2/2 NC ............................................................................ 46 Figura 30 - Diagrama Subsistema de Regulación (Lazo cerrado) ......................... 50 Figura 31 - Diagrama Subsistema de Regulación (Lazo abierto)........................... 51 Figura 32 - Diagrama Subsistema Control de Temperatura .................................. 52 Figura 33 - Diagrama Subsistema de Control de Luz ............................................ 53 Figura 34 - Topología de red usada en el prototipo ............................................... 54 Figura 35 - Mapa estructural diseño de Invernadero ............................................ 55 Figura 36 - Base para Prototipo de Invernadero .................................................... 56 Figura 37 - Estructura de Prototipo de Invernadero ............................................... 57 Figura 38 - Elementos de control Prototipo de Invernadero ................................... 57 Figura 39 - Primer paso Prototipo de Invernadero ................................................. 59 Figura 40 - Montaje de columnas de Prototipo de Invernadero. ............................ 60 Figura 41 - Montaje de vigas de Prototipo de Invernadero .................................... 60

Figura 42 - Pantalla LCD ....................................................................................... 62 Figura 43 - Circuito de Potencia............................................................................. 64 Figura 44 - Cámara domo ...................................................................................... 67 Figura 45 - Prueba control de Temperatura ........................................................... 70 Figura 46 - Prueba de control Luminosidad ........................................................... 71 Figura 47 - Prueba de control de Humedad ........................................................... 72 Figura 48 - Prueba transmisión de video ............................................................... 73 Figura 49 - Prueba interacción Smartphone .......................................................... 73

LISTA DE TABLAS Tabla 1 - Temperatura en cultivo de Tomate Cherry ............................................. 14 Tabla 2 - Temperatura en estado de Desarrollo del Tomate Cherry ...................... 15 Tabla 3 - Características de operación Sensor de Temperatura ........................... 36 Tabla 4 - Características de operación Sensor de Humedad ................................ 38 Tabla 5 - Características de operación Sensor de Luminosidad ............................ 39 Tabla 6 - Características Extractores Serie OD6025 ............................................. 45 Tabla 7 - Características Extractor OD6025-24H................................................... 45 Tabla 8 - Características Válvula de control .......................................................... 46 Tabla 9 - Características Generales Motor 80140512 ........................................... 47

LISTA DE ANEXOS Anexo A - Plano maqueta en proyección ortogonal (Vistas) .................................. 79 Anexo B - Plano maqueta (Isométrico) .................................................................. 80 Anexo C - Plano circuito electrónico ...................................................................... 81 Anexo D - Comparativo tipos de invernadero ........................................................ 82

GLOSARIO ACTUADOR: es un dispositivo que realiza una acción mecánica en respuesta a una señal eléctrica de entrada. ALGORITMO: procedimiento de cálculo que consiste en cumplir una serie o conjunto ordenado y finito de instrucciones que conducen, una vez especificados los datos, a la solución que el problema genérico en cuestión tiene para los datos considerados. ANDROID OS: es un sistema operativo de código abierto derivado de GNU/Linux, que ha sido adaptado a Dispositivos Smart. CONTROLADOR LÓGICO: es aquél que realiza funciones lógicas, combinacionales y secuenciales, mediante la programación adecuada introducida a través de las teclas que dispone el equipo en su frontal o con la ayuda de un PC. HUMEDAD RELATIVA: es la relación entre el contenido de vapor de agua del aire y la cantidad de vapor de agua que el aire puede contener a esa temperatura. INTENSIDAD LUMINOSA: Magnitud que expresa la energía luminosa emitida o recibida por un cuerpo en la unidad de tiempo LAN (LOCAL AREA NETWORK): conocida en español como Red de Área Local, se utilizan para interconectar computadoras que se encuentran dentro de un mismo edificio o campo, es decir, un área local de hasta tres o cuatro kilómetros que alberga varios edificios. SENSOR: es un dispositivo dispuesto expresamente con la misión de obtener información, en forma de señal eléctrica, sobre la variable física medida. SMART DEVICES: conocida en español como Dispositivos Inteligentes, son dispositivos electrónicos móviles como celulares o Tabletas que tienen un Sistema de computación y comunicación inteligente permitiendo al usuario interactuar con otras tecnologías. TEMPERATURA: es una variable que se refiere normalmente a un número que expresa, en una determinada escala definida (Kelvin, Celsius o Fahrenheit), el grado de calor o frio de un cuerpo con referencia a otro.

WLAN (WIRELESS LOCAL AREA NETWORK): conocida en español como Red de Área Local Inalámbrica, es una red LAN que utiliza la radiofrecuencia como medio de comunicación sin cables. WSN (WIRELESS SENSOR NETWORK): conocida en español como Redes de Sensores Inalámbricos, es una conexión de sensores que usan sistemas inalámbricos para comunicarse. WSAN (WIRELESS SENSOR AND ACTUATOR NETWORK): conocida en español como Redes de Sensores y Actuadores Inalámbricos, similar a las redes WSN, solo que en esta la comunicación con los actuadores también es vía inalámbrica.

RESUMEN Un invernadero se define como una estructura cubierta que ofrece un ambiente óptimo para los cultivos con el fin de tener un ajuste de las condiciones de crecimiento climático, para reducir el costo de producción y aumentar los rendimientos de los cultivos. El presente trabajo describe el diseño y desarrollo de un prototipo de control para un invernadero de tomate cherry en la sabana de Bogotá, implica un sistema de automatización para el censado de las variables físicas más importantes del invernadero como lo son la temperatura, la humedad y la luminosidad en la búsqueda de mantener un clima tropical teniendo en cuenta el estudio de los factores ambientales y las respuestas de los cultivos, control de algoritmo, de instrumentación y de interfaz de software/hardware.

Palabras Claves: Control, Cultivo, Dispositivos Smart, Invernadero, Sensor, Tomate cherry.

INTRODUCCIÓN Este trabajo de grado es un prototipo desarrollado por los estudiantes de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Católica de Colombia que busca automatizar un invernadero que contiene un cultivo de tomate cherry ubicado en el municipio de Cota-Cundinamarca. Con la implementación de este sistema se puede controlar de forma automática las variables de humedad, luminosidad y temperatura del invernadero, facilitando de esta manera la administración del cultivo, aumentando la calidad de este con base en la precisión de los sensores y los actuadores junto con el constante monitoreo que permite este sistema bastante autónomo. Así mismo se realizó la integración del sistema automático con los beneficios de los dispositivos inteligentes para que se puedan visualizar en tiempo real el estado del cultivo y controlar o tomar decisiones sobre el sistema. Nuestra propuesta consistió en construir un bioclima artificial controlado automáticamente; es decir, un espacio en el cual ciertas características climáticas puedan mantenerse dentro de parámetros preestablecidos a manera de escala que caracterice nuestro objetivo. El recurso tecnológico que se propone, cumple exactamente con los requerimientos planteados en la situación problemática, construyendo un microclima en escala que representa el invernadero real ubicado en Cota Cundinamarca con medidas a escala; y con pocas modificaciones en cuanto a su estructura, se logró perfectamente adaptar en equivalencia. El recurso tecnológico que se presenta es un espacio en el que se puede observar el clima adecuado para el buen comportamiento del crecimiento del tomate cherry, y controlar los factores que influyen en él. En la práctica de agricultura a gran escala, las variables a controlar que se toman en consideración tardan un tiempo relativamente largo en modificarse comparándolo con el diseño a escala propuesto. Por esta razón, se ha incorporado la posibilidad que el dispositivo Invernadero automatizado para el cultivo de tomate cherry responda simulando externamente estos cambios. Hubiese resultado conveniente desarrollar la tecnología a implementar en el invernadero de tamaño real, pero se consideran las complicaciones de tiempo y el lugar geográfico del invernadero, con las consecuentes complicaciones del costo de este recurso tecnológico a escala real podría ser demasiado elevado. Por esto, se decidió por la opción de modelar las condiciones climáticas a escala, aun cuando estas dimensiones limitan el tamaño y la cantidad de las especies a presentar. Ahora bien, el problema consiste en recrear, a través de este recurso tecnológico, las distintas condiciones de un cultivo protegido de tomate cherry,

jugando con las variables indispensables para el desarrollo del cultivo y modificándolas según las distintas necesidades. El recurso tecnológico que se propone, modela un invernadero equipado con medios de control que permite incidir sobre situaciones climáticas que pueden presentarse en el desarrollo de un cultivo autónomo.

1 ANTECEDENTES El tomate es una planta originaria de América y cultivada en todo el mundo por su fruto comestible. Posee un sabor ligeramente ácido y se consume de diferentes modos, tanto en fresco como en procesado, ya sea como salsa, puré, jugo deshidratado o enlatado.1 Esta planta ha sido cultivada durante años en Colombia y es uno de los principales productos que se cultiva en nuestro país después de la papa. Según DANE-ENA (2013), en Colombia durante el año 2013 se cultivaron 6.867 hectáreas, de las cuales se cosecharon 4.161 hectáreas que produjeron 175.706 toneladas de tomate de mesa, con rendimientos promedios de 42,5 toneladas por hectárea cada semestre. Siendo el departamento de Boyacá el mayor productor con 43.224 toneladas, seguido por los departamentos de Cundinamarca, Norte de Santander, Antioquia, Santander, Quindío y Caldas, entre otros.2 Figura 1 - Tomate de mesa cosechado por hectárea, según departamento, 2013

Fuente: DANE. Insumos y factores asociados a la producción agropecuaria. Bogotá, diciembre 2014, Boletín mensual No. 30, p. 1

Dado que este proyecto tiene como propósito el control de las variables de temperatura, humedad y luminosidad en un invernadero, cabe como primera medida traer a colación el término de Agricultura de precisión; la agricultura de precisión es una aplicación de la tecnología a los cultivos y las cosechas para poder mejorar el desempeño y la eficiencia en estos, esto se logra mediante el 1

PERILLA, Adriana, Rodríguez, Luis, Bermúdez, Lilia. Estudio técnico-económico del sistema de producción de tomate bajo invernadero en Guateque, Sutatenza y Tenza (Boyacá). Revista colombiana de ciencias hortícolas - vol. 5 - no. 2, 2011, p. 220. 2 DANE. Insumos y factores asociados a la producción agropecuaria. Bogotá, diciembre 2014, Boletín mensual No. 30, p. 1

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monitoreo continuo de diversas variables que permiten anticiparse a algunos eventos que afectan nuestros cultivos, logrando así poder afrontarlos de mejor manera o evitar que sucedan, incluso realizar un proceso de cultivo más proactivo, o como bien lo dice el director del Centro Internacional de Software libre y de código abierto, “Agricultura de precisión fue originalmente desarrollado para direccionar variables en suelos y parámetros de cosechas para agriculturas de grandes escalas en países desarrollados”3. No rotar los cultivos, no eliminar los residuos de cosecha, usar en forma indiscriminada agroquímicos, no atender adecuadamente las múltiples labores que demanda el mantenimiento del cultivo, desconocer el manejo del clima dentro del invernadero y los patógenos y plagas que afectan el cultivo, y no aplicar prácticas agronómicas diferentes al empleo de plaguicidas como única herramienta de control de plagas son, entre otras, las razones que hacen de este sistema de producción un método altamente contaminante, donde se requiere con urgencia la capacitación del productor en el manejo integrado del cultivo bajo invernadero, encaminado a la aplicación y establecimiento de esquemas de buenas prácticas agrícolas que permitan asegurar la inocuidad del producto y evitar daños al medio ambiente.4Esta es una de las bases sobre las cuales se plantea el proyecto de un invernadero automatizado. En este se busca la reducción de tiempos y costos que se producen principalmente por el error humano y en segunda instancia por los tiempos de respuesta. Actualmente los cultivos en Colombia se están implementando en los invernaderos, estos presentan un ambiente ligeramente aislado lo cual permite protección de los cultivos de plagas y bacterias del medio ambiente, así como también, el control de los cultivos y las variables que lo afectan dentro del invernadero. Esta infraestructura busca generar un microclima óptimo adecuado para el desarrollo de los cultivos, tratando de lograr en el mismo, la temperatura, la relación de la humedad y la luz adecuada. Los rendimientos bajo este sistema de producción han mejorado, si se comparan los 1,5 y 2 kilogramos por planta obtenidos en campo abierto frente a los 5 y 8 kilogramos por planta en invernadero, incrementándose así la productividad hasta en un 300 % por planta.5 Teniendo en cuenta que Colombia no es un país desarrollado tecnológicamente pero que si es un país que basa la mayor parte de su economía en su agricultura, motivo por el cual es principal exportador de café y flores a nivel mundial, se requiere tecnificar sus cultivos y por ende monitorear las variables que afectan a 3

BABU, Satish. A software model for precision agriculture for small and marginal famers. Trivandrum, India: IEEE, 2013, p. 1 4 JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 21 5 DANE. Insumos y factores asociados a la producción agropecuaria. Bogotá, diciembre 2014, Boletín mensual No. 30, p. 1

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estos para ser más competentes en el mercado global. Entre las estrategias que el sector de la floricultura ha generado para los cultivos para mitigar el impacto ambiental y reducir el consumo de los recursos naturales en el proceso son: la recolección de agua de lluvia para ser utilizado en los cultivos, sistemas de riego eficiente, los planes de emergencia para mitigar los estragos del clima cambiante, entre otros. 6 Con base en este principio de riego eficiente, también se decide implementar un sistema de riego por goteo para no desperdiciar agua y que esta fuese proporcionada por la recolección de aguas lluvias y almacenadas en un tanque para su uso controlado. Es por esta razón que nos centramos en la agricultura de precisión como una opción de mejora para los cultivos en invernaderos al medir las variables de humedad, temperatura y luminosidad permitiendo transmitirlas a un dispositivo controlador para tomar acciones preventivas o correctivas. Es este tipo de disponibilidad de información para sitios particulares en instantes de tiempo específicos, lo que hace posible evaluar densidades óptimas de siembra, estimar cantidad óptima de fertilizante y predecir la producción en cada punto del cultivo.7 Ahora bien, se debe tener en cuenta en el momento de medir la temperatura del suelo, que la amplitud de la variación en la temperatura del suelo es más pronunciada debido a las características y composición del suelo en comparación con el aire. Dentro de los factores principales que afectan la temperatura del suelo están: a) El aspecto y la pendiente, b) Cobertura del suelo, de tal forma que la temperatura del aire 2.5 cm sobre la superficie del suelo puede ser entre 5 a 10°C mayor en suelos cultivados en comparación con suelos sin cultivar. c) La textura del suelo, suelos arenosos son más calientes y se enfrían más rápidamente que suelos arcillosos, y d) La materia Orgánica.8 Se requiere tener un constante monitoreo y control de estas variables para no afectar los cultivos, también se requiere un sistema que sea modular y escalable, esto permite que se puedan vincular más invernaderos, más puntos de control, más sensores de medición o elementos actuadores, así mismo que se permita la integración de una cierta cantidad de dispositivos móviles, en el que se pueda recibir un estado del invernadero y permita la opción de controlar las variables directamente desde allí por si se requiere realizar algún cambio prioritario, por ejemplo en el momento en que se ingresan o se retiran las plantas o si se requiere cambiar de cultivo y por ende de valores en el umbral de activación de los elementos. 6

LOZANO GARZÓN, Carlos Andrés y Rodríguez Riveros, Oscar Javier, Temperature, humidity and luminescence monitoring system using Wireless Sensor Networks (WSN) in flowers growing. Bogotá Colombia: IEEE, 2010, p. 1 7 MURILLO, Andrés F., Peña Mauricio, & Martínez Diego. Applications of WSN in Health and Agriculture. Jamundi, Cali, Colombia: IEEE, 2012 8 JIMÉNEZ LÓPEZ, Fabian Rolando y Jiménez Lopez, Andrés. Temperature Telemetry System for Agricultural Crops using free software. Tunja, Colombia: IEEE, 2012, p. 1

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Es este motivo por el cual se piensa en implementar un sistema de sensores para cada variable, logrando de esta manera que sea una implementación modular, que se comuniquen con un controlador que pueda procesar todas los cambios producidos en las variables a controlar y que se traducen en señales de entradas, para así, conforme a un algoritmo diseñado poder emitir una señal de respuesta que permita la activación de unos dispositivos actuadores 9 . Se estudia la posibilidad de implementar la WSN o mejor aún las WSAN para este proyecto de manera que permitan reducir puntos de falla por el deterioro del cableado y a su vez la reducción de costos de material. Estas WSN pueden estar compuestas de nodos heterogéneos y móviles, cada nodo puede hacer referencia a un Invernadero o a un cultivo diferente, también se puede implementar en tractores o maquinaria de siembra para conformar nodos móviles. La topología de la red puede ser tan simple como una topología en estrella. Adicionalmente, los nodos han sido dotados de interfaces de actuación, dando origen a las redes inalámbricas de sensores y actuadores (Wireless Sensors and Actuators Networks - WSAN), Los parámetros más relevantes en el diseño de estas aplicaciones son el tiempo de vida, la escalabilidad, el tiempo de respuesta, la sincronización de los nodos, la protección de la información, y el cumplimiento de plazos de tiempo real.10 Teniendo en cuenta desde cada nodo en particular a un sistema completo, la arquitectura se distingue por las siguientes características: un pequeño legado a incorporar con sensores, memoria, procesador y radiofrecuencia, todo esto con capacidad limitada. Cada nodo toma medidas físicas de su entorno y, a continuación, estas medidas son transmitidas por ondas de radio11. Después, hay un proceso de sincronización y comunicación que es controlado por los protocolos implementados en el sistema. Ahora bien, este sistema no solo permitirá la actuación de elementos conforme a una serie de parámetros. Con la implementación de una cámara de video que permita la transmisión en tiempo real, se puede llegar a vigilar no solo el acceso al invernadero, sino que también dependiendo de la capacidad de la cámara se puede llegar a identificar plagas o enfermedades por el color y la forma de las hojas, aunque esto es un proceso teórico puesto que está basado en la percepción de la persona que vigila el Invernadero. Es importante recordar, que una identificación temprana es fundamental para prevenir la propagación de enfermedades en el efecto invernadero y es fundamental para la implementación 9

MURILLO, Andrés F., Peña Mauricio, & Martínez Diego. Applications of WSN in Health and Agriculture. Jamundí, Cali, Colombia: IEEE, 2012, p. 1 10 Ibid, p. 1 11 RESTREPO PATIÑO, Diana, Ovalle Carranza, Demetrio, Montoya Cañola, Alcides. Performance evaluation of databases integration in wireless sensor networks. Medellin, Colombia. IEEE, 2009, p. 1

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de estrategias para el control de enfermedades. Desafortunadamente, el uso de métodos de diagnóstico especializados puede introducir retrasos que puedan comprometer la salud de los cultivos de tomate.12 Tradicionalmente, la detección de hongos o virus en cultivos de tomate se ha realizado por los cultivadores basados en su experiencia. En algunos casos, cultivadores altamente experimentados pueden identificar rápidamente fitopatologías del tomate mediante inspección visual.13 De este modo se observa que este proyecto tiene grandes aplicaciones en Colombia y que junto con el plan Vive digital respaldado por el Ministerio de las TIC que busca reducir la brecha tecnológica, permitirá que más población del territorio Nacional tenga acceso y haga uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones en su diario vivir. Siendo así, se podrá transformar el sector agrícola de manera que sea más próspero y que permita tener una mejor calidad de vida y que al mismo tiempo sea más eficiente al reducir tiempos de operación y vigilancia, esto apuntándole a promover la agricultura de precisión y que no siga siendo un sector atrasado como lo dice el Ing. Álvaro Puentes “En nuestro entorno, la agricultura tradicional no ha sido objeto de grandes transformaciones, sigue siendo un sector atrasado, de renta baja y poca generación de empleo de calidad.”14 1.1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1.1 Descripción del problema: la función principal de un invernadero es la de controlar y mantener un espacio específico de terreno, con condiciones ideales dependiendo del cultivo con el fin de controlar luz, humedad, temperatura, bióxido de carbono, y pesticidas entre otras, para cultivar plantas y flores destinadas a diversos propósitos. Sin embargo la fumigación de pesticidas son potencialmente dañinas para los seres humanos que laboran en invernaderos, además se puede observar que en nuestro país la mayoría de invernaderos son controlados por descarte del clima, mas no por sensores calibrados que indiquen los diferentes niveles para su optimización y son controlados totalmente por operadores en el mismo sitio del cultivo, por lo que se busca dar una solución.

12

BAQUERO, Douglas, Molina, Juan, Gil, Rodrigo, Bojaca, Carlos, Franco, Hugo, Gómez, Francisco. An image retrieval system for tomato disease assessment. Bogotá, Colombia. IEEE, 2014. p. 1 13 Ibid p. 1 14 COLOMBIA DIGITAL. “Como las TIC complementan la agricultura de precisión?”. [En línea] Puentes Molina, Alvaro. [Citado el 17 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://colombiadigital.net/opinion/columnistas/artifice-innovacion/item/4866-como-las-ticcomplementan-la-agricultura-de-precision.html

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Una alternativa para solucionar esta situación ha sido la automatización de los invernaderos con el fin de mejorar cada proceso, aplicando de manera adecuada condiciones físicas y químicas óptimas para el adecuado cuidado y desarrollo que requiere cada producción apoyándose de sistemas de control remota. Esta automatización permite mejorar los estándares de calidad al reducir la probabilidad de error al mismo tiempo que se aumenta la capacidad y velocidad de producción de un producto específico, como lo puede ser un cultivo. 1.1.2 Formulación del problema: en vista del rápido crecimiento de la tecnología y los elementos de comunicación desarrollados, se piensa en la posibilidad de adaptar parte de la tecnología existente para mejorar el control de un cultivo bajo invernadero y la calidad de este mismo, cabe en este ámbito proponer y preguntar: ¿Será posible la implementación de un sistema de automatización para el control de temperatura, humedad y luminosidad en un invernadero, así como la interacción con un dispositivo que tenga sistema operativo Android, para activar elementos actuadores remotamente de manera que se reduzcan tiempos de operación y de respuesta a eventos, propendiendo por la eficiencia y optimización de recursos como la vigilancia con un sistema de video en línea, promoviendo y aprovechando la infraestructura tecnológica de nuestro país junto con los beneficios de los dispositivos Smart? 1.2

OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General: para este proyecto se plantea el siguiente objetivo general en el que engloba lo que significa toda la implementación de la solución al problema planteado. Diseñar un prototipo para el control automático de la temperatura, humedad y luminosidad en cultivos que se pueda activar por medio de sensores y de una aplicación para Android OS de manera remota. 1.2.2 Objetivos Específicos: los siguientes objetivos se enuncian de manera puntual para ser más detallados en lo que se quiere lograr cumpliendo con el alcance de este proyecto.  Seleccionar el dispositivo controlador, los sensores que permitan medir las variables definidas y unos elementos actuadores para modificar las variables en respuesta a unas órdenes del controlador.  Diseñar un algoritmo para el dispositivo que permita recibir las señales de los sensores, procesarlas y emitir una señal de respuesta que permita controlar las variables.

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 Implementar una red LAN para comunicar el dispositivo controlador con sus elementos de entrada y salida, como también con el dispositivo para controlarlo remotamente.  Diseñar y desarrollar una aplicación para dispositivos Smart con sistema operativo Android que se pueda utilizar fácil e intuitivamente y que permita controlar el invernadero.  Implementar un sistema de monitoreo para la transmisión de video en tiempo real por medio de la red de banda ancha.  Elaborar un modelo a escala para la ejemplificación del sistema en el que se pueda observar el funcionamiento del control, el sensado, la respuesta a los cambios y el control remoto. 1.3

JUSTIFICACIÓN

Con la llegada de la tecnificación de la industria agrícola las grandes industrias están logrando producir cada vez más y a menos costo tratando de mantener la calidad, esto constituye una competencia más difícil para el campesino de bajos recursos que no tiene forma de implementar algo de tecnología en sus cultivos bien sea para producir más o para reducir tiempos. Por esta razón se quiere diseñar e implementar un prototipo de sistema de automatización de invernaderos de bajo costo y de fácil manejo para que tengan acceso personas de bajos recursos y que a su vez les permita dedicar más tiempo a la familia o a otros cultivos para ser más competentes. El principal benefició de este sistema de automatización es la ayuda que prestará a los agricultores de bajos recursos para poder competir sanamente con otras compañías de mayor producción permitiendo tener invernaderos más autónomos y menos imprecisos al reducir la intervención del hombre lo cual mejora significativamente la producción en sus cultivos. Así mismo se mejorará la calidad de vida del agricultor al permitir que este pueda dedicar más tiempo a otras actividades bien sea laborales o familiares que le garanticen bienestar teniendo siempre la vigilancia y control de su invernadero vía remota, con el sistema de video en línea el agricultor puede estar pendiente de sus cultivos y tener mayor seguridad de sus instalaciones. 1.4

DELIMITACIÓN

1.4.1 Espacio: no se realizará una implementación directa sobre un invernadero, ya que no está considerada dentro de la planeación, debido a las limitaciones de tiempo que se tienen para la realización del proyecto.

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A los diferentes avales administrativos y técnicos que se requieren para realizar cambios en el equipo, el flujo y funcionamiento del proceso los cuales requieren un tiempo de aprobación, lo que haría que se extienda el tiempo requerido para el desarrollo del proyecto. Por tal motivo se recreará un modelo a escala de un Invernadero que se encuentra ubicado en el municipio de Cota (Cundinamarca) en el cual tienen albergado un cultivo de tomate cherry. Los costos que acarrean el hacer el modelo a escala y demás gastos serán cubiertos con capital propio, esto limitará la compra de elementos industriales propuestos en el diseño, pero se adquirirán elementos de menor costo que tengan el mismo principio de funcionamiento y se adapten a nuestro modelo a escala. En este prototipo se podrá validar como el sistema controla las variables de temperatura, humedad y luminosidad en respuesta a los cambios que sea sometido, bien sea por la naturaleza del ambiente o por intervención del hombre para poder activar los sensores y poder validar el sistema de control. 1.4.2 Tiempo: para realizar el proyecto se cuenta con un periodo académico equivalente a dieciséis semanas del segundo semestre del año 2015, periodo durante el cual se desarrollará y se entregará el modelo a escala con el diseño del control automático para la medición y manejo de variables de temperatura, luminosidad y humedad relativa integrado a la aplicación para dispositivos Smart y la visualización de video en tiempo real. 1.4.3 Contenido: para la medición de las variables se utilizaran sensores capaces de detectar temperaturas entre los 17°C y los 28°C de rápida respuesta para ser más precisos en el sistema, en cuanto a la humedad relativa se implementaran sensores con rangos de medida entre un 50 % y un 80 % que por tener una diferencia amplia permite ser aplicado a una gran variedad de cultivos, por último, en cuanto a la variable de luminosidad se utilizaran sensores que tengan gran sensibilidad a los pequeños cambios y se calibraran de acuerdo a las necesidades. En cuanto al aplicativo se realizará un diseño para dispositivos Smart con sistema operativo Android, esta aplicación será diseñada, elaborada y probada conforme a los requisitos del sistema de control y permitirá accionar tanto el sistema automático que permitirá el control del invernadero en respuesta a los valores programados en el umbral de medida de las variables, como también contará con una opción manual que permitirá al agricultor activar los actuadores para modificar alguna de las variables a su gusto, esta opción será muy útil para los agricultores en el momento de que realicen algún cambió en su infraestructura que altere el entorno o las variables, así como también si aumenta o disminuye de manera repentina y momentánea el inventario del cultivo en su invernadero y no piensa modificar sus parámetros de control establecidos durante este periodo.

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El prototipo también contará con la transmisión de video en vivo para monitorear los cultivos de manera remota y principalmente se entregará funcionando a nivel de red LAN con el modelo a escala entregado, sin embargo, se planea realizar la transmisión de video a través de la red de telefonía celular para las cuales se realizaran las pruebas correspondientes dependiendo del ancho de banda soportado por este medio de comunicación y el requerido por la cámara. 1.4.4 Alcance: este diseño podrá verificarse con un modelo a escala de la parte del proceso objeto de la automatización en el cual se demuestre el correcto funcionamiento del algoritmo de control desarrollado para la aplicación del sistema automático, permitiendo así medir y controlar las variables que intervienen en el proceso, unido a esto se realizará una aplicación para Android OS que permita activar los elementos actuadores de nuestro sistema de manera remota, también, se transmitirá video en línea por una red de banda ancha y se efectuaran las pruebas para implementarlo por la red de telefonía celular.

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2 MARCO TEÓRICO 2.1

INVERNADERO

También conocido como cultivo protegido, un invernadero es un sistema agrícola especializado en el cual se lleva a cabo un cierto control del medio edafoclimatico alterando sus condiciones (suelo, temperatura, radiación solar, viento, humedad y composición atmosférica). Mediante estas técnicas de protección se cultivan plantas modificando su entorno natural para prolongar el periodo de recolección, alterar los ciclos convencionales, aumentar los rendimientos y mejorar su calidad, estabilizar las producciones y disponer de productos cuando la producción al aire libre se encuentra limitada. El objetivo del cultivo protegido es obtener producciones de alto valor añadido (hortalizas, frutas, flores, ornamentales y plantas de vivero). El factor determinante más relevante de la actividad productiva hortícola es el clima. Entre las más importantes limitaciones para la producción hortícola cabe citar la falta de radiación solar, la temperatura insuficiente o excesiva, el exceso o falta de humedad, las deficiencias de nutrientes, la presencia de malas hierbas, el exceso de viento y el inadecuado contenido de dióxido de carbono (o anhídrido carbónico) del aire. La mayor parte de las limitaciones citadas son factores climáticos o directamente relacionados con el clima, que pueden alterarse mediante el cultivo protegido.15 2.1.1 Parámetros para la construcción de un invernadero: para la elaboración de un invernadero se debe tener en cuenta los siguientes aspectos. 2.1.1.1 Elección del modelo del invernadero: en la forma y modelo del invernadero se deben tener en cuenta las condiciones económicas de cada productor, siempre y cuando la estructura cumpla con los requerimientos apropiados para el desarrollo del cultivo, sea funcional y de fácil operación, permita el cultivo de otras especies, sea lo suficientemente fuerte como para soportar condiciones climáticas extremas y el peso de las plantas y de los sistemas internos, y tenga una duración prolongada y una cobertura fácil de cambiar y de fácil mantenimiento.16

15

CASTILLA, Nicolás. Invernaderos de plástico, tecnología y manejo, 2ª edición. Madrid, España: Mundi-Prensa, 2007, p. 25. 16 JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 42

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2.1.1.2 Orientación: La orientación del invernadero es otro factor que interviene directamente en la captación de la radiación y la cantidad de sombra que la misma estructura del invernadero provoca, por lo que es importante que la estructura este orientada de norte a sur con una ligera inclinación hacia el noreste, de tal modo que los rayos del sol siempre lleguen a la cubierta plástica de forma perpendicular. También es fundamental que la cubierta del invernadero permita el paso de por lo menos el 70% de radiación solar; de lo contrario la radiación fotosintéticamente activa (PAR) disminuye considerablemente, creando problemas de elongación de entrenudos, follaje muy abundante y disminución de la producción. Con menor cantidad de radiación solar, las plantas y los frutos también se hacen más sensibles al ataque de plagas y enfermedades, pero además disminuye la transpiración y en consecuencia se provoca desnutrición en la planta.17 2.1.2 Invernadero a dos aguas con diente de sierra: está formado por una nave a dos aguas en que uno de los planos inclinados de la techedumbre tiene distinta inclinación y en vez de formar la unión de las dos cubiertas queda como un diente de sierra. La ventilación de estos invernaderos, siempre que las dimensiones no sean exageradas, es excelente, ya que a la ventilación normal de las paredes laterales se une otra central, formada por los huecos que forman cada uno de los dientes de sierra.18 Figura 2 - Invernadero tipo capilla a dos aguas con diente de sierra

Fuente: Autores

17

VELASCO HERNANDEZ, Ezequiel, Nieto Angel, Raúl, Navarro Lopez, Erick. Cultivo de tomate en hidroponía e invernadero. Chapingo, Mexico: Mundi-Prensa, 2005, p. 24. 18 SERRANO CERMEÑO, Zoilo. Construcción de invernaderos, 3ª edición. Madrid, España: MundiPrensa, 2005, p. 72.

11

2.1.3 Radiación Solar: la radiación que proviene directamente del sol se denomina radiación directa; con este tipo de radiación la geometría de la cubierta y la orientación del invernadero determinaran la transmisibilidad global del invernadero. Cuando la radiación solar atraviesa la cubierta del invernadero se modifica la proporción entre radiación directa y difusa, dependiendo de los materiales con los que se elabora. La radiación difusa es la que toma diferentes direcciones al haber sido reflejada, desviada o dispersa por dicha cubierta. En este caso la forma de la cubierta así como la forma del invernadero tendrán poca importancia. Las cubiertas con difusores de luz crean condiciones similares a cuando se presenta un día nublado, condición que es favorable para el cultivo ya que disminuye las sombras en el interior del invernadero.19 Figura 3 - Radiación Solar en el Invernadero

Fuente: Foto tomada de libro. VELASCO HERNANDEZ, Ezequiel, Nieto Angel, Raúl, Navarro López, Erick. Cultivo de tomate en hidroponía e invernadero. Chapingo, Mexico: Mundi-Prensa, 2005, p. 26.

Un aspecto importante a destacar es el uso de las cubiertas en invernadero, independientemente del color del pigmento de las cubiertas, estas deben tener aditivos difusores de luz para lograr menor sombra dentro del cultivo al paso de la radiación difusa; los pigmentos blancos de las cubiertas plásticas tienen mayor cantidad de aditivos difusores que los pigmentos verdes. 2.1.4 Ventajas de la producción bajo invernadero: el producir un cultivo bajo un invernadero tiene las siguientes ventajas comparadas con los que no lo hacen:        

Protección contra condiciones climáticas extremas. Control sobre otros factores climáticos. Obtención de cosechas fuera de época. Mejor calidad de la cosecha. Preservación de la estructura del suelo. Siembra de materiales seleccionados. Aumento considerable de la producción Ahorro en costos de producción.

19

VELASCO HERNANDEZ, Ezequiel, Nieto Angel, Raúl, Navarro Lopez, Erick. Cultivo de tomate en hidroponía e invernadero. Chapingo, Mexico: Mundi-Prensa, 2005, p. 25-26.

12

 Disminución en la utilización de plaguicidas.  Aprovechamiento más eficiente del área de cultivo. 2.1.5 Desventajas de la producción bajo invernadero: así mismo, las desventajas del cultivo bajo Invernadero comparado con el que no, son:  Alta inversión inicial.  Requiere personal especializado.  Supervisión permanente. 2.2

TOMATE CHERRY

Solanum lycopersicum es su nombre científico. Se le puede conocer como jitomate también, sobre todo en las zonas de Latinoamérica. Pertenece a la familia Solanaceae y al género Solanum (de ahí su nombre científico). Hoy en día la podemos ver cultivada en cualquier parte, y no nos referimos geográficamente. Un huerto veraniego casi siempre está constituido por el cultivo del tomate, entre otros. No sólo el huerto clásico situado en la tierra, si no el huerto en macetas situado en la terraza, balcón o dentro de casa, y las mesas de cultivo. 20

Figura 4 - Tomate Cherry

Fuente: Semillando sotillo Tienda ecológica en madrid, Tomate Cherry ecológico. [En línea] [Citado el 15 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.tiendaecologicaenmadrid.com/home/37-tomate-cherry-ecologico.html

20

AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/

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2.2.1 Clima y suelo en el cultivo de tomate: el tomate es un tipo de planta que se adapta bien a una gran variedad de climas. La excepción radica en climas propensos a sufrir heladas, fenómeno al que el tomate es sensible. De hecho, según el desarrollo vegetativo del tomate, requiere un periodo libre de heladas de 110 días, sin que se sufra pérdidas de rendimiento.21 2.2.2 Temperatura: la temperatura es el principal factor climático que influye en la mayoría de los estados de desarrollo y procesos fisiológicos de la planta. El desarrollo satisfactorio de sus diferentes fases (germinación, crecimiento vegetativo, floración, fructificación y maduración de frutos) depende del valor térmico que la planta alcanza en el invernadero en cada periodo crítico. En un invernadero, cuando se produce un aumento de temperatura, ésta provoca en la planta una intensificación de todos los procesos biológicos y térmicos bien definidos que es necesario conocer en las plantas cultivadas en invernadero.22 Tabla 1 - Temperatura en cultivo de Tomate Cherry

Temperatura

Efecto que produce en la planta

Mínima 8-12º C

Los procesos de toma de nutrientes y crecimiento alcanzan una intensidad mínima o se detienen; si la temperatura mínima se prolonga por varios días la planta se debilita, y si ocurren temperaturas por debajo de este nivel, la planta sufre una progresiva decadencia o muerte.

Óptima 21-27º C

Todos los procesos bioquímicos se desarrollan normalmente; el crecimiento vegetativo, la floración y la fructificación son adecuadas.

Máxima 32-36º C

Los procesos bioquímicos y de toma de nutrientes están al máximo, son excesivos y agotadores para la planta, se presentan desórdenes fisiológicos y se detiene la floración; cuando estas temperaturas se prolongan ocurre la muerte de la planta.

Fuente: JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 72

El tomate es un cultivo capaz de crecer y desarrollarse en condiciones climáticas variadas. La temperatura óptima para el crecimiento está entre 21 y 27º C, y para el cuajado de frutos durante el día está entre 23 y 26º C y durante la noche entre 14 y 17º C.23 21

AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/ 22 JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 72 23 Ibid p. 73

14

Tabla 2 - Temperatura en estado de Desarrollo del Tomate Cherry

T. mínima (º C) 11 18 18 10 10

Estado de desarrollo

Germinación Crecimiento Cuajado de frutos durante el día Cuajado de frutos durante la noche Producción de pigmento rojo (licopeno) Producción de pigmento amarillo (β 10 caroteno) Temperatura del suelo 12

T. óptima (º C) 16-29 21-24 23-26 14-17 20-24

T. máxima (º C) 34 32 32 22 30

21-23

40

20-24

25

Fuente: JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 72

Las consecuencias de un cultivo expuesto a altas temperaturas son:         

Reducción de la cantidad y la viabilidad del polen. Reducción de la cantidad de flores y frutos por inflorescencia. Distorsión de las anteras, lo que impide una adecuada polinización. Elongación del estilo por encima de las anteras, lo que dificulta la polinización. Asimetría en la forma de la inflorescencia. Cambios morfológicos dados principalmente por la elongación y escasez de los entrenudos. Apariencia de debilidad en las inflorescencias. Retraso en la aparición de la primera inflorescencia sobre el tallo principal. Mala fecundación de frutos y mal llenado de frutos.

Las consecuencias de un cultivo expuesto a bajas temperaturas son:      

Reducción de la viabilidad y cantidad del polen. Distorsión y elongación del ovario y deformación del fruto. Distorsión de los estambres y, por lo tanto, mala polinización. Elongación de frutos. Entrenudos cortos, densos y plantas compactas. Reducción de la cantidad de flores y frutos por inflorescencia.

2.2.3 Humedad: con respecto a la humedad en el cultivo de tomates, la humedad relativa ideal para el desarrollo del cultivo de tomate debe estar entre un 65 % y un 75 % para su óptimo crecimiento y fertilidad. Si superamos estos valores, favorecerá el desarrollo de hongos.24 24

AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/

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Cuando la humedad relativa es alta, favorece el desarrollo de enfermedades como Phytophthora infestans, Botritys cinerea y Erwinia carotovora, y se presentan desórdenes que afectan los frutos, como son: manchado, que produce una maduración por parches asociada también a una deficiencia de potasio; grietas o rajaduras de forma radial o concéntrica; cara de gato o malformación, y frutos huecos. Además, se dificulta la fecundación por la compactación del polen y las flores pueden caerse. Cuando la humedad relativa es baja y la temperatura es alta se debe ventilar para facilitar la circulación del aire. Esta situación, además, origina mayor tasa de transpiración, y puede causar estrés hídrico, mayor actividad radicular y cierre estomático, lo que reduce la actividad fotosintética de la planta y la absorción de agua y nutrientes. Bajo estas condiciones, se ve favorecida la aparición del desorden fisiológico conocido como podredumbre apical o culillo, causado por la deficiencia de calcio. La humedad relativa baja también seca el polen y genera anomalías en la fecundación, produce igualmente frutos pequeños, deformes y huecos.25 Figura 5 - Cultivo de Tomate en Invernadero

Fuente: AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/

2.2.4 Luminosidad: el tomate requiere días soleados para un buen desarrollo de la planta y lograr una coloración uniforme en el fruto. La baja luminosidad afecta los procesos de floración, fecundación y desarrollo vegetativo de la planta y reduce la absorción de agua y nutrientes.26 En la mayoría de las plantas, la tasa de crecimiento en cuanto a peso por unidad de área está influenciada por la radiación; a mayor radiación mayor estimulación 25

JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 76-77 26 Ibid p. 73

16

del crecimiento vegetativo y, como resultado, más alta producción, principalmente por el incremento de la asimilación y producción de materia seca. Las plantas de tomate generalmente no son afectadas por la mayor o menor cantidad de horas luz. Sin embargo, cuando la intensidad de la radiación es baja hay una influencia negativa sobre la plantas y sobre la producción. La producción y su calidad se ven severamente afectadas por la sombra artificial o por la acumulación de polvo sobre la superficie externa de los plásticos, lo cual reduce la cantidad e intensidad de la luz dentro del invernadero. La luminosidad también se ve afectada cuando se utilizan altas densidades de siembra, ya que las mismas plantas se producen sombra entre sí. Igualmente, el exceso de estructuras dentro del invernadero, principalmente en el tutorado, reduce la cantidad de luz. Está comprobado que la baja luminosidad tiene un efecto sobre la producción de frutos huecos y la maduración manchada en los frutos de tomate, por lo que se recomienda la renovación de los plásticos o el mantenimiento, mediante el lavado de las coberturas. Cuando la luminosidad es escasa dentro del invernadero, las plantas tienden a un aislamiento buscando la luz, los tallos a ser débiles, y disminuye la producción. La baja luminosidad también incide en los procesos de floración, fecundación y desarrollo vegetativo de la planta, ya que reduce la viabilidad del polen, limita la evapotranspiración, y disminuye la absorción de agua y nutrientes llevando la planta a una posible deficiencia de calcio, lo que se conoce comúnmente como podredumbre apical del fruto.27 2.2.5 Terreno: al terreno se le debe dar una labor profunda y en ella se debe aplicar el abono que se seleccione. No se recomienda la aportación de nitrógeno como abono de fondo para el cultivo del tomate. Únicamente se recomienda en aquellos casos en el que la tierra sea muy pobre o con niveles muy bajos en nitrógeno. Cantidades de sulfato amónico en proporción de 300-400 kg/ha son aconsejables para corregir estas deficiencias. Pero sí se recomienda la incorporación al terreno de fósforo, ya que contribuye enormemente al desarrollo de las raíces del tomate y en la floración. Un ejemplo puede ser la incorporación de superfosfato de cal como abono de fondo.

27

JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 77

17

Para que el fruto se desarrolle de forma correcta necesita un abono a base de potasio. Valores en torno al 5-10 % son aconsejables en el suelo (capacidad de intercambio catiónico), por lo que se recomienda incorporar comprendidos entre los 400-500 kg/ha de sulfato potásico.28 2.2.6 Tutorado del tomate: el tomate, por ser una planta herbácea, requiere un sistema de sostén que proteja el follaje y los frutos del deterioro ocasionado por la humedad del suelo y la acción de los microorganismos e insectos y plagas.29 Los principales sistemas de tutorado se observan en la foto: Figura 6 - Tipos de tutorado del tomate

Fuente: AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/

2.3

COTA CUNDINAMARCA

Cota es uno de los 116 municipios del departamento de Cundinamarca (Colombia). Se encuentra ubicado en la provincia de Sabana Centro a 26km de Bogotá (6km por la vía Cota - Suba). Su cabecera municipal se encuentra a 2.566 msnm.

28

AGROMATICA, Guía imprescindible del cultivo del tomate. [En Línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.agromatica.es/cultivo-de-tomates/ 29 JARAMILLO, Jorge, Rodríguez, Viviana, Guzmán, Miryam, Zapata, Miguel, Rengifo, Teresita. Buenas Prácticas Agrícolas (BPA) en la producción de tomate bajo condiciones protegidas. Medellín, Colombia: CTP Print Ltda, 2007, p. 31

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Figura 7 - Mapa municipio de Cota, Cundinamarca

Fuente: ALCALDÍA DE COTA. Nuestro municipio. [En línea] [Citado el 17 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.cota-cundinamarca.gov.co/informacion_general.shtml

Ocupa la parte cercana a la costa de un antiguo lago. Su vocación económica es agroindustrial, caracterizándose asimismo por prestar servicios al turismo y albergar varios colegios privados.30 2.3.1 Clima: Cota tiene un clima de sabana fría (principalmente afectado por la altitud) que generalmente está entre los 5 y los 14 °C, con una temperatura promedio de 13,5 °C. Las temporadas más lluviosas del año son entre abril y mayo y entre septiembre y diciembre, alcanzando los 110 mm/mes; las temporadas más secas del año se pueden apreciar entre enero y febrero y entre julio y agosto, en las cuales durante la mañana y en la noche se presentan fuertes cambios de temperatura conocidos como heladas que afectan la agricultura de la población. Cuenta con las veredas de: vuelta grande, Siberia, parcelas, Rozo, El Abra, Pueblo viejo, Cetime, la Moya y el barrio de la esperanza. 31

30

PERSONERÍA DE COTA, Acerca de la entidad - Donde estamos. [En línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.personeria-cota.gov.co/es/acerca-de-laentidad/donde-estamos 31 BASTIDAS RODRIGUEZ, Diana Yanet, Bonilla Triviño, Manuel Alfredo. Perfil Epidemológico del municipio de Cota 2009. Cundinamarca, Colombia: 2009, p 18

19

2.3.2 Economía: Cota es un municipio pequeño dedicado a la agricultura, y a la venta de comidas y platos típicos de la región. Cuenta con variados restaurantes y cafeterías que venden los platos del folclore Cundinamarqués. Cota posee muchos campos de cultivo, los principales son de repollo y lechuga, también se cuidan varios animales, entre ellos los caballos y vacas. El municipio no produce mucho dinero anual y en general, la vocación económica de este municipio es Agroindustrial.32 2.3.3 Visión: para el año 2025 será Cota, una sociedad del conocimiento, protectora de los derechos de sus habitantes, incluyente, Atractiva, Ambiental, Cívica, Corazón Agroindustrial y Empresarial de Cundinamarca.33 Con este proyecto se está apuntando lograr una de las visiones de Cota la cual busca hacerlo un municipio “Corazón Agroindustrial”, dado que este proyecto es un proyecto de automatización agrícola o también se le puede llamar Agroindustrial. 2.4

NIVELES DE AUTOMATIZACIÓN

En general, la automatización en un invernadero implica la automatización del control de temperatura del aire, la circulación del aire y el intercambio de aire, control de humedad relativa, control de nivel de la luz y de otras variables como nivel el dióxido de carbono (CO2), riego, tratamiento químico y la gestión del suministro de nutrientes, pero en el caso específico del proyecto se realizaran a los cambios climáticos. Una forma muy simple y clásica de control ambiental del sistema de invernadero para cultivos, consta de sensores, tanto internos como externos, que monitorean todas las variables importantes que afectan el crecimiento de los cultivos. Estos datos del sensor son entonces los que retroalimentan un controlador. Los parámetros ambientales bajo control se modificarán a través de comandos predefinidos, programados y actuadores tales como ventiladores, refrigeradores, sistema de nebulización, sistema de iluminación y CO2. Cuando se habla sobre el control de actuadores individuales, se refiere a dispositivos que controlan el equipo específico para una operación única, como los motores que controlan los respiraderos, abanicos y operación de ventilación, bombas, etc. Ahora cuando hablamos de nivel funcional se refiere a todos los equipos a cargo de una función particular, como el riego y la fertilización de gestión o de control de la temperatura. Puesto que la operación de cada 32

ALCALDÍA DE COTA. Nuestro municipio. [En línea] [Citado el 17 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.cota-cundinamarca.gov.co/informacion_general.shtml 33 BASTIDAS RODRIGUEZ, Diana Yanet, Bonilla Triviño, Manuel Alfredo. Perfil Epidemológico del municipio de Cota 2009. Cundinamarca, Colombia: 2009, p 35

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dispositivo individual bajo control puede verse afectada por las variables ambientales y operación de otro equipo, se requiere un control integrado a nivel de sistema para controlar y reunir a todo el equipo y funciones en un sistema dispuesto. Esta tarea es administrada por los equipos que pueden supervisar y controlar todos los aspectos del proceso simultáneamente. Un buen algoritmo de control para el invernadero debe ser capaz de predecir cambios en el sistema y aplicar las señales apropiadas ante situaciones específicas. 2.4.1 Sistemas de control: el objetivo primero de los sistemas de control y de regulación automática es, a partir del estudio de un proceso, determinar la arquitectura y los calores de los parámetros de un regulador de forma que, ante un cambio deseado o imprevisto de su funcionamiento, sea capaz de adaptarse automáticamente de la forma más adecuada posible. La velocidad y la dinámica con las que el proceso se ajuste a estas nuevas condiciones estarán determinadas por la elección de parámetros y de sistema para el controlador. Desde el punto de vista de la teoría de control, un sistema o proceso está formado por un conjunto de elementos relacionaos entre sí para alcanzar una determinada finalidad, y ofrece señales de salida en función de señales o datos de entrada. El conocimiento del comportamiento de la señal de salida respecto a una variación en la señal de entrada permitirá seleccionar la acción de control adecuada para lograr las mejoras en la respuesta prevista del sistema. 34 2.4.2 Planta G(s): son los componentes del sistema que hay que controlar. También se denomina proceso. En la planta se produce la transformación de la energía suministrada que se desea controlar. En general, la energía eléctrica suministrada al actuador se transforma en energía mecánica –motor-, en energía potencial –depósito de líquido-, cinética –caudal impulsado por una tubería-, etc.35 2.4.3 Controlador Gc(s): proporciona la excitación al proceso para alcanzar la salida deseada. Es diseñado para controlar el comportamiento global del proceso y también recibe los nombres de regulador, corrector o compensador. Para la automatización del cultivo se puede implementar el control mediante un sistema PLC, un microcontrolador o un sistema embebido como lo podemos encontrar en Arduino o Raspberry Pi.

34

ANGULO BAHON, Cecilio, Raya Giner, Cristóbal. Tecnología de sistemas de control. Catalunya: Politext, 1999, p. 31 35 Ibid p. 37

21

2.4.4 Sensor H(s): es el elemento que permite sensar la salida de la planta. En el lazo de control se suele situar en la realimentación. En ocasiones, su función de transferencia se incluye en la transmitancia del proceso, G(s). Los sensores se caracterizan por que transforman una observación física –nivel, caudal, velocidad, temperatura- en una señal eléctrica. Constan de dos partes, el detector y un transductor o transmisor. El detector transforma la observación física en una señal eléctrica –mA, pulsos-.36 Los sensores son el elemento que nos va a tomar las medidas de las variables a medir para transformarlas en señales de corriente que pueda recibir y procesar el controlador para emitir una señal de respuesta. 2.4.4.1 Clasificación: dada la gran cantidad de sensores que existen, se hace necesario clasificarlos para así poder entender mejor su naturaleza y funcionamiento. No obstante esta tarea no es fácil, por lo que existen varios tipos de clasificaciones.37 Atendiendo su funcionamiento  Activos: requieren una fuente externa de energía de la que recibir alimentación de corriente para su funcionamiento.  Pasivos: no requieren de una fuente de energía externa, sino que las propias condiciones medioambientales son suficientes para que funcionen según su cometido. Figura 8 - Sensores por funcionamiento

Fuente: SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 4

Atendiendo a las señales que proporcionan

36

Ibid p. 32 SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 3 37

22

 Analógicos: proporcionan la información mediante una señal analógica (tensión, corriente), es decir, que pueden tomar infinidad de valores entre un mínimo y un máximo.  Digitales: proporcionan la información mediante una señal digital que puede ser un “0” o un “1” lógicos, o bien un código de bits. Figura 9 - Sensores por tipo de señal

Fuente: SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 4

Atendiendo a la naturaleza de su funcionamiento  Posición: son aquellos que experimentan variaciones en función de la posición que ocupan en cada instante los elementos que la componen.  Fotoeléctricos: son aquellos que experimentan variaciones en función de la luz que incide sobre los mismos.  Magnéticos: son aquellos que experimentan variaciones en función del campo magnético que les atraviesa.  Temperatura: son aquellos que experimentan variaciones en función de la temperatura del lugar donde están ubicados.  Humedad: son aquellos que experimentan variaciones en función del nivel de humedad existente en el medio en que se encuentran.  Presión: son aquellos que experimentan variaciones en función de la presión a que son sometidos.  Movimiento: son aquellos que experimentan variaciones en función de los movimientos a que son sometidos.  Químicos: son aquellos que experimentan variaciones en función de los agentes químicos externos que pudieran incidir sobre ellos.

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Figura 10 - Sensores por funcionamiento

Fuente: SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 5

Atendiendo a los elementos utilizados en su fabricación  Mecánicos: son aquellos que utilizan contactos mecánicos que se abren o cierran.  Resistivos: son aquellos que utilizan en su fabricación elementos resistivos.  Capacitivos: son aquellos que utilizan en su fabricación condensadores.  Inductivos: son aquellos que utilizan en su fabricación bobinas.  Piezoeléctricos: son aquellos que utilizan en su fabricación cristales como el cuarzo.  Semiconductores: son aquellos que utilizan en su fabricación semiconductores. Figura 11 - Sensores por fabricación

Fuente: SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 6

2.4.4.2 Características: a la hora de elegir un sensor para una aplicación concreta, es necesario tener en cuenta determinados aspectos para obtener el mejor rendimiento dentro de dicha aplicación.

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         

Rapidez en la respuesta. Situación donde van a ser utilizados. Radio de acción. Fiabilidad en el funcionamiento. Tensiones de alimentación. Consumo de corriente. Márgenes de temperatura de funcionamiento. Posibles interferencias por agentes externos. Resistencia a la acción de agentes externos. Relación calidad/precio.

Pero también es necesario conocer a veces determinadas características técnicas que nos dan mucha información sobre la calidad del sensor:  Resolución: es la mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.  Sensibilidad: es la relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada.  Error: es la desviación de la medida proporcionada por el sensor respecto de la real. Se suele expresar en %.  Precisión: es el error de medida máximo esperado.  Repetitividad: es el error esperado al repetir varias veces la misma medida.38 2.4.5 Actuador: es el elemento final de control, la parte de proceso que provoca físicamente la dinámica de todo el sistema. Su transmitancia se incluye generalmente en la función de transferencia del proceso, G(s), aunque en ocasiones se integra en la función de transferencia del controlador, Gc(s). Habitualmente consta de un adaptador de potencia y del elemento de actuación. La adaptación de potencia es necesaria porque el generador de consignas suele ser de baja potencia y, por tanto, insuficiente para alimentar directamente el actuador.39 Los actuadores son los elementos que realizaran alguna acción o como su nombre lo indica que van a actuar conforme a la señal que le envía el controlador para responder a un cambio de variable y mantener un control de esta.

38

SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 7 39 ANGULO BAHON, Cecilio, Raya Giner, Cristóbal. Tecnología de sistemas de control. Catalunya: Politext, 1999, p. 32

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2.4.5.1 Relés: un relé es un interruptor mecánico accionado eléctricamente. Consta de dos o más contactos, correspondientes a uno o varios circuitos independientes, y de un elemento que controla la conmutación. La corriente y tensión necesarias para el control es muy pequeña respecto a la potencia del circuito controlado. Ello permite que el interruptor que cierra el circuito de control, denominado interruptor de control, sea de potencia muy inferior a la necesaria en un interruptor intercalado directamente en el circuito controlado.40 Figura 12 - Principio de funcionamiento del Relé

Fuente: EDUCACHIP, Relé Arduino – Cómo Controlar Tu Casa con Arduino. [En línea] [Citado el 17 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.educachip.com/arduino-rele-5v/

2.4.5.2 Solenoides: un solenoide es un convertidor de energía eléctrica en energía mecánica por vía de un campo magnético. Consiste en un circuito magnético y un elemento mecánico móvil. El circuito magnético está formado por una bobina dentro de un armazón ferromagnético (hierro), que ofrece un camino de baja reluctancia magnética. El elemento mecánico móvil es un vástago también ferromagnético, al circular una corriente por la bobina se produce un campo magnético que induce polos magnéticos en el vástago, que de esta forma es atraído y tiende a quedar centrado dentro de la bobina; el desplazamiento se suele limitar con un tope mecánico. El émbolo, si lo hay, facilita el paso del flujo magnético, lo que aumenta la fuerza ejercida.41

40

PALLAS ARENY, Ramón. Adquisición y distribución de señales. Barcelona: Marcombo, 1993, p. 36-37 41 Ibid p. 44

26

2.4.5.3 Motores de continua: un motor de continua es un actuador electromecánico que hace girar un eje basándose en la interacción entre los dipolos magnéticos, con uno fijo y otro dispuesto sobre una pieza que puede girar, denominada rotor. El dipolo fijo puede ser un imán permanente o un electroimán alimentado por corriente continua (devanado de excitación de campo). El dipolo móvil es un electroimán consistente en una bobina, denominada armadura, devanada sobre un soporte ferromagnético y alimentada por una corriente continua cuya polaridad se invierte a cada semiciclo (o fracción de ciclo) de rotación por la acción de un conmutador.42 2.4.5.4 Motores de alterna: los motores de alterna se basan, al igual que los motores de continua, en la interacción entre dos dipolos magnéticos. Pero en este caso se trata de dos dipolos producidos por corrientes alternas que circulan una por una bobina devanada sobre un soporte magnético fijo, denominado estator, y otra por una pieza giratoria metálica denominada rotor, que puede tener uno o varios devanados a su alrededor. Los motores de alterna pueden ser de tres tipos: de inducción, síncronos y universales y cualquiera de ellos puede ser monofásico o polifásico.43 Motores de paso a paso: en un motor de paso a paso cada vuelta del rotor se completa mediante la sucesión de pasos o saltos discretos, todos ellos de igual amplitud, denominados paso angular o ángulo incremental. La posición de rotor al final de cada paso es estable, de manera que permanece en ella si no se envía una excitación adicional en forma de impulso de tensión o corriente. El movimiento del rotor no es, pues, continúo sino a saltos provocados por la alimentación secuencial de las bobinas del estator, denominadas fases. Cada fase esta devanada sobre dos dientes diametralmente opuestos o sobre varios dientes equidistantes. La velocidad de rotación depende del número de pasos de cada vuelta y de la frecuencia de los impulsos de excitación. El motor se alimenta con corriente continua y mediante circuitería lógica adicional se consigue la secuencia de impulsos necesaria para las fases del estator. El sentido de giro se controla mediante la secuencia de alimentación de las fases.

42

I PALLAS ARENY, Ramón. Adquisición y distribución de señales. Barcelona: Marcombo, 1993, p. 51 43 Ibid, p. 63-67

27

2.4.6 Transmisor: es la parte del sistema encargada de recoger la señal de sensor, acondicionarla y compararla con la señal de consigna para producir una señal de error que significará la entrada al regulador. En general, son elementos que no aportan dinámica al proceso, ni alteran la ganancia estática. Solo se tendrá en consideración de forma independiente en el caso de sistema digitales, para calcular el periodo de muestreo, o en sistemas analógicos, cuando la transmisión introduzca un retardo puro en el sistema.44 2.5

REDES

Una red de computadoras es un conjunto de computadores (y generalmente terminales) conectados mediante una o más vías de transmisión. La vía de transmisión es a menudo la línea telefónica, debido a su comodidad y a su presencia universal. La red existe para cumplir un determinado objetivo: la transferencia e intercambio de datos entre computadores y terminales. Este intercambio de datos es la base de muchos servicios basados en computadores que utilizamos en nuestra vida diaria, como cajeros automáticos, terminales de puntos de venta, realización de transferencias, e incluso el control de un transbordador espacial.45 2.5.1 Redes de Área Local (LAN): una red de área local puede definirse como “un sistema de comunicaciones que proporciona interconexión a una variedad de dispositivos en un área restringida (recinto, edificio, campus…) y que no utiliza medios de telecomunicación externos”.46 El elemento fundamental que define una Red de Área Local es la utilización de medios privados de comunicación dentro de un recinto, edificio o campus. En consecuencia tiene una serie de características, como son:  Propiedad: utilización de medios privados de comunicación.  Alcance: en la práctica, las distancias abarcan desde metros hasta pocos kilómetros.  Velocidad: las velocidades de transmisión son elevadas, comparadas a las que actualmente se utilizan en Redes de Área Extensa.  Conectividad: permiten la comunicación de igual a igual de los dispositivos conectados, independientemente de que se trate de grandes procesadores o de computadores personales.  Interconexión: ofrecen la posibilidad de conexión con otras redes mediante la utilización de pasarelas o gateways. 44

SERNA RUIZ, Antonio, Ros García, Francisco, Rico Noguera, Juan C. Guía práctica de sensores. España: Creaciones Copyright, 2010, p. 3 45 BLACK, Uyless. Redes de computadores Protocolos, normas e interfaces, 2ª edición. Madrid: Ra-Ma, 1999, p. 1. 46 GARCIA, Jesús, Ferrando, Santiago, Piattini, Mario. Redes para proceso distribuido, 2ª edición. Madrid, Ra-Ma, 2001, p. 11.

28

2.5.2 Medios de Comunicaciones: los medios de comunicación se clasifican en dos categorías, medios guiados y no guiados, en este proyecto haremos uso de ambos. Figura 13 - Diagrama medios de comunicación

Fuente: HERRAMIENTAS TELEMÁTICAS, Medios Guiados y no Guiados. [En línea] [Citado el 14 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.herramientastelematicas1115.weebly.com/medios-guiados-y-no-guiados.html)

2.5.2.1 Par Trenzado: Uno de los medios de transmisión más antiguos y todavía el más común es el par trenzado. Un par trenzado consta de dos cables de cobre aislados, por lo general de 1 mm de grosor. Los cables están trenzados en forma helicoidal, justo igual que una molécula de ADN. El trenzado se debe a que dos cables paralelos constituyen una antena simple. Cuando se trenzan los cables, las ondas de distintos trenzados se cancelan y el cable irradia con menos efectividad. Por lo general una señal se transmite como la diferencia en el voltaje entre los dos cables en el par. Esto ofrece una mejor inmunidad al ruido externo, ya que éste tiende a afectar ambos cables en la misma proporción y en consecuencia, el diferencial queda sin modificación.47

47

TANENBAUM, Andrés S, Wetherall, David. Redes de Computadoras, 5 Edición. México: Pearson, 2012, p. 83

29

Figura 14 - Cable trenzado

Fuente: BLOG CISCO ROUTER SWITCH, “CAT5 vs. CAT5e vs. CAT6”. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://ciscorouterswitch.over-blog.com/article-cat5-vs-cat5e-vs-cat6-125134063.html

2.5.2.2 802.11 (WiFi): Las redes 802.11 están compuestas de clientes (como laptops y teléfonos móviles) y de una infraestructura llamada AP (Puntos de Acceso) que se instala en los edificios. Algunas veces a los puntos de acceso se les llama estaciones base. Los puntos de acceso se conectan a la red alámbrica y toda la comunicación entre los clientes se lleva a cabo a través de un punto de acceso. También es posible que los clientes que están dentro del rango del radio se comuniquen en forma directa, como en el caso de dos computadoras en una oficina sin un punto de acceso. A este arreglo se le conoce como red ad hoc. Se utiliza con menor frecuencia que el modo de punto de acceso.48 Figura 15 - Clasificación Redes Inalámbricas

Fuente: WIKIPEDIA, Red Inalámbrica. [En línea] https://es.wikipedia.org/wiki/Red_inal%C3%A1mbrica

[Citado

48

el

16

de

noviembre

de

2015].

Disponible

en:

TANENBAUM, Andrés S, Wetherall, David. Redes de Computadoras, 5 Edición. México: Pearson, 2012, p. 60

30

2.5.3 Topologías de Red: el término “topología” se refiere al diseño de la red, bien sea ésta física o lógica. La topología de la red se refiere a la representación geométrica de los distintos enlaces entre los dispositivos o nodos. Existen, básicamente, cuatro topologías diferentes para la construcción de una red de área local.49 Figura 16 - Topologías de red

Fuente: BLOG SERVICIO DE REDES INFORMÁTICAS, Tipos de Redes. [En línea] [Citado el 17 de noviembre de 2015] http://redessil.blogspot.com.co/2014/12/tipos-de-redes_9.html

2.5.3.1 Topología en bus y en árbol: en la topología en bus todas las estaciones se encuentran conectadas directamente a un medio de transmisión lineal o bus. Se permite la transmisión en dúplex y ésta circula en todas direcciones a lo largo del bus, pudiendo cada estación recibir o transmitir. Hay terminales pasivos en cada extremo del bus para que las señales no se reflejen y vuelvan al bus. La topología en árbol es similar a la de bus, pero se permiten ramificaciones a partir de un punto llamado raíz, aunque no se permiten bucles.50 2.5.3.2 Topología en anillo: la red consta de una serie de repetidores (simples mecanismos que reciben y retransmiten información sin almacenarla) conectados unos a otros en forma circular (anillo). Cada estación está conectada a un repetidor, que es el que pasa información de la red a la estación y de la estación a la red. Los datos circulan en el anillo en una sola dirección.

49

HUIDOBRO MOYA, José Manuel. Telecomunicaciones Tecnologías, redes y servicios. Bogotá: Ra-Ma, 2011, p. 188 50 HUIDOBRO MOYA, José Manuel. Telecomunicaciones Tecnologías, redes y servicios. Bogotá: Ra-Ma, 2011, p. 189

31

La información también se divide en tramas con identificadores sobre la estación de destino. Cuando una trama llega a un repetidor, este tiene la lógica suficiente como para reenviarla a su estación (si el identificador es el mismo) o dejarla pasar si no es el mismo. Cuando la trama llega a la estación origen es eliminada de la red.51 2.5.3.3 Topología en estrella: en este caso, se trata de un nodo central del cual salen los cableados para cada estación. Las estaciones se comunican unas con otras a través del nodo central. Hay dos maneras de funcionamiento de este nodo: este nodo es un mero repetidor de las tramas que llegan (cuando le llega una trama de cualquier estación, la retransmite a todas las demás), en cuyo caso, la red funciona igual que un bus; otra manera es de repetidor de las tramas pero solo las repite al destino (usando la identificación de cada estación y los datos de destino que contiene la trama) tras haberlas almacenado.52 2.6

PROGRAMACIÓN

En terminología informática, se llama programación a la creación de un programa de computadora, es decir, elaborar un conjunto concreto de instrucciones que una computadora pueda ejecutar. Un programa es una secuencia no ambigua, finita y ordenada de instrucciones que han de seguirse para resolver un problema. Normalmente implementa (traduce a un lenguaje de programación concreto) un algoritmo, es decir, lo traduce a algún lenguaje de programación. Un programa de computadora se escribe en algún lenguaje de programación, aunque también se puede escribir directamente en lenguaje máquina, pero en este caso la dificultad es mayor. También se puede dividir en diversas partes, que pueden estar escritas en lenguajes distintos cada una de ellas. Cuando se elabora un programa, generalmente, y sobre todo si pertenece al ámbito comercial, se le denomina software que es el sustantivo que hace referencia a los programas y datos de computadora. La programación de computadores debe perseguir tres objetivos fundamentales:  Corrección: un programa es correcto si hace lo que debe hacer. Para comprobarlo es muy importante especificar de manera clara cuales son los datos sobre los que el programa trabaja, y lo que se tiene que hacer con ellos. Todo ello se debe pensar y documentar antes de desarrollarlo y, una vez acabado, comprobar lo que realmente hace.  Eficiencia: debe consumir la menor cantidad de recursos posible. Normalmente al hablar de eficiencia se suele hacer referencia al consumo 51 52

Ibid p. 188 Ibid p. 189

32

de tiempo y/o memoria. La eficiencia y la claridad de un programa pueden ser objetivos contrapuestos: se puede conseguir mayor claridad sacrificando parte de la eficiencia y viceversa.  Claridad: es muy importante que el programa sea lo más claro y legible posible para facilitar al máximo el mantenimiento posterior del software. Cuando el código del programa ya está escrito y probado se deben buscar errores y si los hay corregirlos.53 2.6.1 Lenguaje C++: el lenguaje C++ apareció oficialmente en 1983, fecha de las primeras utilizaciones fuera del laboratorio que lo vio nacer, AT&T. Su creador, Bjarne Stroustrup, había iniciado sus trabajos varios años antes, probablemente hacia 1980. El lenguaje C++ se elaboró conservando la mayoría de los conceptos del lenguaje C, su predecesor. En el tiempo que siguió, ambos lenguajes tomaron prestados elementos entre sí. Como lenguaje C, C++ adopta una visión muy cercana al lenguaje máquina. En un principio se destinó a escribir sistemas operativos, pero sus características le abrieron perspectivas nuevas. El lenguaje está formado por instrucciones muy explicitas, cortas, cuya duración de ejecución puede preverse con antelación, en el momento de escribir el programa. Como el número de instrucciones y notaciones ha sido limitado de forma voluntaria, las interpretaciones de las construcciones semánticas son múltiples y eso es sin duda lo que el creador del lenguaje C++ designa con el termino expresividad.54 2.6.2 Lenguaje Java: la creación de este lenguaje y plataforma se inspiró en las funcionalidades interesantes propuestas por otros lenguajes tales como C++, Eiffel, SmallTalk, Objective C, Cedar/ Mesa, Ada, Perl. El resultado es una plataforma y un lenguaje idóneos para el desarrollo de aplicaciones seguras, distribuidas y portables en numerosos periféricos y sistemas transportables interconectados en red pero también en Internet (clientes ligeros), y en estaciones de trabajo (clientes pesados). Primero apodado C++-- (C++ sin sus defectos), más tarde OAK, (un nombre ya utilizado en informática), lo bautizaron finalmente Java, palabra de argot que significa café, debido a las cantidades de café tomadas por los programadores y en particular por los diseñadores. Y así, en 1991 nació el lenguaje Java. Con base a las necesidades expresadas, se necesitaba un lenguaje y una plataforma sencillos y eficaces, destinados al desarrollo y al despliegue de aplicaciones securizadas, en sistemas heterogéneos en un entorno distribuido, con un consumo de recursos mínimo y que funcionara en cualquier plataforma física y de software. 53

XHAFA, Fatos, Vázquez, Pere Pau, Gómez Jordi, Molinero, Javier, Martín, Ángela. Programación en C++ para ingenieros. Madrid: Thomson, 2006, p. 28. 54 GUÉRIN, Brice-Arnaud. Lenguaje C++. Paris, Francia: ENI, 2005 p. 9

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El diseño de Java aportó una respuesta eficaz a esas necesidades:  Lenguaje de sintaxis sencilla, orientada a objetos e interpretada, que permite optimizar el tiempo y el ciclo de desarrollo (compilación y ejecución).  Las aplicaciones son portables sin modificación en numerosas plataformas físicas y sistemas operativos.  Las aplicaciones son resistentes porque el motor de ejecución de Java se encarga de la gestión de la memoria (Java Runtime Environment), y es más fácil escribir programas sin error en comparación a C++, debido a un mecanismo de gestión de errores más evolucionado y estricto.  Las aplicaciones y en particular las aplicaciones gráficas son eficaces debido a la puesta en marcha y a la asunción del funcionamiento de varios procesos ligeros (Thread y multithreading).  El funcionamiento de las aplicaciones está securizado, en particular en el caso de los Java Applets en los cuales el motor de ejecución de Java se encarga de que el Applet no realice ninguna manipulación u operación peligrosa.

34

3 DISEÑO GENERAL Debido a que el proyecto corresponde a un sistema de control donde se encuentran unas entradas, unos procesos a esas entradas y una salida final a este proceso la cual será la acción del sistema para mantener o controlar una variable dentro del umbral requerido se utilizará el esquema entrada, proceso, salida. Figura 17 - Diagrama general de un sistema de control

Fuente: SISTEMAS UMA, Sistemas y teoría general de sistemas. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015] http://sistemasumma.com/2011/11/03/sistemas-y-teoria-general-de-sistemas/

3.1

ENTRADAS

Este proyecto tiene como entradas las mediciones tomadas por los sensores, dado que las variables a medir y controlar son las de temperatura, humedad y luminosidad. Es por la característica de los sensores de imitar ciertas capacidades de percepción de las personas que se decide la utilización de estos en la implementación del prototipo, así de esta manera se pueden seguir midiendo las mismas variables del entorno agrícola como lo hacen los agricultores pero con elementos que garanticen más precisión. 3.1.1 Temperatura: para el sensor de temperatura se tomará como elección el MXL90615, una de las características más llamativas de este sensor, es que es un termómetro infrarrojo para mediciones de temperatura sin contacto lo cual es una característica beneficiosa para las plantas ya que no requiere contacto directo con estas y por ende no requiere ser amarrado o colgado de esta entrometiéndose en su crecimiento. El MLX90615 se construye a partir de 2 chips, el detector de termopila Infrarrojo y el acondicionador de la señal del chip MLX90325, este es especialmente diseñado por Melexis para procesar la salida del sensor de infrarrojos. Gracias al amplificador de bajo ruido, alta resolución ADC de 16 bits y potente unidad DSP del MLX90325, este es capaz de ofrecer una alta precisión y alta resolución en el termómetro infrarrojo. El objeto medido y la temperatura ambiente se encuentran disponibles en la memoria RAM del MLX90325 con una resolución de 0,02 °C. Los valores son accesibles por 2 hilos y un protocolo compatible con SMBus serial con una resolución de 0,02 °C o a través de un 10-bit PWM (Pulse Width Modulada –

35

Modulación por ancho de pulso-) de la señal del dispositivo. El MLX90615 es calibrado en rangos de temperatura estándar de la fábrica: desde -40 hasta 85 °C de la temperatura ambiente y de -40 hasta 115 °C de la temperatura del objeto. Como estándar, el MLX90615 se entrega con una emisión objeto programada de 1. Puede ser fácilmente personalizado por el usuario para cualquier otro tipo de emisión en el rango de 0,1 a 1,0, sin necesidad de recalibración con un cuerpo negro. El MLX90615 puede ser alimentado por batería.55 Tabla 3 - Características de operación Sensor de Temperatura

Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 4

Figura 18 - Diagrama de bloques (Sensor de Temperaura)

Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 8

Características: 55

MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 1-2.

36

 Calibrado de fábrica en amplio rango de temperatura: -40 - 85 ° C para el sensor de temperatura y -40 - 115 ° C para la temperatura del objeto.  Alta precisión de 0,5 ° C en todo el rango de temperatura (0 - 50 ° C, tanto para TA y TO)  Resolución de la medición de 0,02 ° C  Interfaz digital compatible SMBus  Modo de ahorro de energía  Salida PWM personalizada para la lectura continua  Tensión de alimentación de 3V Figura 19 - Sensor de Temperatura

Fuente: MELEXIS, Microelectronics Integrated Systems, Datasheet Infra Red Thermometer MLX90615, 2010, p. 1

3.1.2 Humedad: para el sensor de humedad utilizaremos el HIH-4000 el cual tiene un desempeño bastante acorde con las necesidades del proyecto, principalmente por que cubre todo el rango de humedad medible, es decir, tiene la capacidad de medir desde un 0% hasta un 100% de Humedad relativa, sin embargo aunque el tiempo de estabilización es de máximo 70 ms, se debe tener en cuenta en la programación que el tiempo de respuesta de este sensor es de 15 s, este factor es un poco delicado dado que se puede, si no se realiza un buen control, pasarse en el tiempo de riego y producir un exceso de humedad. Los sensores de humedad series HIH-4000 están diseñados específicamente para usuarios de alto volumen de OEM (Original Equipment Manufacturer). Entrada directa a un controlador u otro dispositivo se hace posible por la salida de tensión lineal cerca de este sensor. Con un consumo de corriente típico de 200 microA, la Serie HIH-4000 es a menudo ideal para bajo consumo, sistemas operados por batería. La estrecha intercambiabilidad del sensor reduce o elimina los costos de calibración de producción OEM. La serie HIH-4000 ofrece calidad de instrumentación un rendimiento de detección de HR (Humedad Relativa) en un precio competitivo, SIP soldable (Single In-line Package). Disponible en dos configuraciones de separación de conductores, el sensor de humedad relativa es un láser recortado, polímero termoestable capacitivo que sensa el elemento con acondicionamiento de señales en el chip integrado. La construcción de múltiples

37

capas del elemento de detección proporciona una excelente resistencia a la mayoría de los riesgos de aplicación, tales como agentes humectantes, polvo, suciedad, aceites y productos químicos ambientales comunes.56 Las especificaciones de este sensor se observan en la gráfica siguiente. Tabla 4 - Características de operación Sensor de Humedad

Fuente: HONEYWELL, Humidity sensors, datasheet HIH-4000 Series, 2005, p. 2

Características:       

Sensor de humedad de alta precisión, salida de voltaje lineal. Carcasa de plástico termoestable moldeada Diseño de baja potencia Precisión mejorada Tiempo de respuesta rápido Estable, desviación baja. Resistente químicamente

Figura 20 - Sensor de Humedad

Fuente: SIGMA ELECTRONICA LTDA, Catalogo-Sensores-Humedad. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.sigmaelectronica.net/4000-p-1227.html 56

HONEYWELL, Humidity sensors, datasheet HIH-4000 Series, 2005, p. 1

38

3.1.3 Luminosidad: para controlar la luminosidad utilizaremos el sensor LX1972, el cual es un sensor de bajo costo pero de alta precisión y alta velocidad de respuesta. Este sensor es superior en calidad y desempeño a la comúnmente usada Fotorresistencia, la cual no tiene una respuesta rápida. El LX1972 es un sensor de luz de silicio con la respuesta espectral que emula de cerca el ojo humano. Circuitos patentados producen respuesta espectral pico a 520 nm, con una respuesta IR menos de ± 5%, de la respuesta máxima, por encima de 900 nm. El fotosensor es un arreglo de diodos PIN con una función de transferencia lineal, precisa y muy repetible. La alta ganancia de corriente reflejada en el chip multiplica el diodo PIN foto-corriente a un nivel de sensibilidad que puede ser escalada de tensión con una resistencia externa valor estándar. La corriente de salida de este dispositivo fácil de usar de dos pines se puede utilizar directamente o se convierte a una tensión mediante la colocación en serie con una sola resistencia en cualquiera de sus dos pines. El rango dinámico se determina por las resistencias (típicamente en el rango de 10K a 100K) y los valores de suministro de energía. Normalmente, el LX1972 necesita sólo 1,8 V en espacio libre para operar a 1.000 Lux de iluminación. La compensación de temperatura interna permite corriente oscura que se mantiene por debajo de 200nA sobre el rango de temperatura de especificación (-40 a + 85 °C), que proporciona una alta precisión en los niveles bajos de luz. El sensor es utilizable en ambientes cuyo rango de condiciones de luz es de 1 a más de 5.000 Lux. El LX1972 está optimizado para el control de los sistemas de iluminación de fondo en productos de bajo consumo, tales como TV LCD, ordenadores portátiles y cámaras digitales.57 Tabla 5 - Características de operación Sensor de Luminosidad

Fuente: MICROSEMI. Ambient Light Detector, datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 4

57

MICROSEMI. Ambient Light Detector. datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 1

39

Figura 21 - Diagrama de bloque (Sensor de luminosidad)

Fuente: MICROSEMI. Ambient Light Detector. datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 5

Características:  Sensor de luz cuya respuesta espectral, es muy similar a la del ojo humano.  Este sensor tiene un arreglo PIN Diodo, el cual tiene una función de transferencia lineal, precisa y muy repetitiva.  Entrega una salida de corriente correspondiente a la intensidad de luz recibida, su pico espectral lo tiene a 520nm.  Rango luz: entre 1 a 5000 luxes.  Voltaje de operación: 3V, hasta 5V.  Dimensiones: 3.2mm x 1.6mm x 1.1mm  Empaque: superficial 1206. Figura 22 - Esquema de Sensor de Luminosidad

Fuente: MICROSEMI. Ambient Light Detector. datasheet LX1972 product specification, 2004, p. 1

40

3.2

PROCESOS

En la parte de procesos se tratará la parte del controlador, este se encarga de recibir las señales de los sensores y con base es su lógica y/o programación emitirá una señal de respuesta hacia los actuadores para reaccionar ante los cambios en las variables medidas. 3.2.1 PLC: en cuanto a potencia, capacidad y diseño funcional el PLC es uno de los más completos sistemas de control para estas variables climáticas, sin embargo, no es lo que se quiere implementar principalmente por el costo de este elemento y también los conocimientos que se requieren para programar este dispositivo, esto sumado al consumo de energía del PLC lo hace un producto poco conveniente para nuestro proyecto. Figura 23 - PLC (Controlador Lógico Programable)

Fuente: WINDTECH, Repair and services. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.windtechautomation.com/services.html?

3.2.2 Microcontrolador: el otro dispositivo que podemos utilizar es un microcontrolador, este elemento permite ser programado para recibir una señal en uno o más pines de entrada y conforme al programa que se haya digitado emitir una señal de salida por otro pin como respuesta. En cuanto a costos es el diseño más económico de implementar dado que se compran los elementos por independiente y se pueden soldar reduciendo el costo de la fábrica. El inconveniente para esta implementación es que el microcontrolador por sí solo no sirve como se desea, este elemento requiere de un circuito que lo acompañe para poder funcionar, este circuito puede contener resistencias, condensadores, transistores, entre otros, que se pueden montar sobre una protoboard o una baquelita; este sistema de circuito soldado sobre baquelita es muy prominente a fallas en alguno de sus elementos o de las soldaduras dado que se requiere una

41

amplia experiencia y habilidad para dejar un producto bien terminado, en este orden de ideas, es un producto que puede fallar más fácilmente alguno de sus elementos y así mismo dañar otros que estén conectado a él. Figura 24 - Microcontrolador

Fuente: COSAS DE INGENIERIA Microcontroladores: PIC16 de Microchip. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015] http://cosasdeingenieria.com/esp/item/502/51/microcontrolador-pic16f1938-isp

3.2.3 Raspberry Pi: también tenemos entre nuestras opciones el uso del sistema embebido Raspberry Pi, este sistema es muy completo y permite ser configurado con software libre y programado con lenguaje C, esta es una ventaja importante dado que es un lenguaje que es fácil de manejar y conoce bastante gente lo cual induce a tener un soporte rápido y fácil de conseguir para cualquier falla con la configuración del dispositivo. Para este proyecto es una buena opción usar Raspberry, sin embargo el hecho de tener una aplicación corriendo sobre un sistema operativo lo hace vulnerable en dos sentidos: 1) en el hecho de que al tener un Sistema Operativo común y de código abierto puede verse modificado por cualquier intruso que conozca el Kernel de Linux y 2) si se presenta una falla con el Sistema Operativo, esta afectara al programa que se configuró, así mismo si hay una falla general es más difícil saber si se presenta en el Sistema Operativo o en la aplicación.

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Figura 25 - Raspberry Pi 2

Fuente: RASPI.TV, New Raspberry Pi 2 Launched. http://raspi.tv/2015/raspberry-pi-2-the-new-quad-core-a7-pi2

[En

línea]

[Citado

el

16

de

noviembre

de

2015]

3.2.4 Arduino Uno: por último y no menos importante, está la opción de usar el sistema embebido Arduino, este dispositivo tiene muchas variedades en cuanto a su hardware, para esta ocasión se usará el Arduino Uno el cual es muy similar a la Raspberry Pi, por la facilidad que ofrecen al tener las entradas y salidas integradas al procesador y la fuente permitiendo que el trabajo sea dedicado al código y no a la interconexión. En cuanto a Arduino tenemos la opción de programar con leguaje C y no requerimos de instalar un Sistema Operativo para ponerlo a funcionar, lo cual lo hace más eficiente en cuanto al elemento anterior. También observamos la ventaja de su bajo consumo de energía con respecto a los PLC, su tamaño y el beneficio de tener unas entradas o salidas con PWM (Modulación por ancho de pulso). Figura 26 - Arduino UNO

Fuente: RCO, Arduino UNO SMD rev3. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://rco.es/?p=285

43

3.3

SALIDAS

Debido a que el prototipo de automatización se realizará sobre un modelo a escala de un invernadero que cultiva tomate, el cual se encuentra ubicado en el municipio de Cota, se planean las siguientes salidas con base en la idea planteada. Figura 27 - Foto 1, Invernadero en Cota (Cundinamarca)

Fuente: Autores

Figura 28 - Foto 2, Invernadero en Cota (Cundinamarca)

Fuente: Autores

3.3.1 Extractores: en este proyecto se optó por usar extractores a cambio de los ventiladores principalmente por dos razones:

44

 La primera de ellas obedece a que al tener un ambiente cerrado si se usa un ventilador se producirá un movimiento “cíclico” del aire al moverse dentro del invernadero sin encontrar una salida y desplazando el aire caliente hacia los lados al ser empujado por el aire frio emitido por el ventilador.  La segunda razón es que los ventiladores emiten una cantidad de aire con mayor presión que puede llegar a afectar las hojas de las plantas más cercanas en el momento en que el calor se eleve y se requiera mayor flujo de aire frio. En ese orden de ideas el extractor permite extraer el aire caliente del interior del invernadero o se puede usar en modo inverso para ingresar aire frio del exterior y en un conjunto de extractores inducir una corriente de aire que ingrese por un lado del invernadero y sea extraída por el otro. Tabla 6 - Características Extractores Serie OD6025

Fuente: ORION FANS, datasheet OD6025 Series, p. 1

Tabla 7 - Características Extractor OD6025-24H

Altura Anchura Voltaje de Alimentación Consumo de Energía Corriente Máxima Dimensiones Flujo de Aire Nivel de Ruido Profundidad Velocidad del Extractor

60mm 60mm 24 V dc 3.5W 150mA 60 x 60 x 25mm 42.5m³/h 35dB 25mm 4500rpm

Fuente: Autores

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3.3.2 Válvula de apertura: la válvula de apertura es la que permitirá el paso de agua para humedecer las plantas cuando se requiera, el sistema de riego está basado en un sistema de goteo en el cual se tiene un conducto por tubería, con unas pequeñas perforaciones, que recorre los cultivos y desde la válvula se controla la apertura de estas para que permita el paso o no de agua por la tubería. Figura 29 - Electroalvula 2/2 NC

Fuente: SOMMER TECHNIK, Catalogue V7.1 Vacum and Fluid Technology. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.sommer-technik.com/flipview/V71-EN/ p. 80

Para este proyecto se usará una válvula de paso normalmente cerrada cuyas características son:    

Servo-controlado Normalmente cerrado (NC) Rango de temperatura: -10 ° C hasta 95 ° C Max. temperatura ambiente: 50 ° C

Tabla 8 - Características Válvula de control

Connection Design Nom. width [Ø mm] Pressure [bar] AC Pressure [bar] DC Temperature LED Clock rate AC [VA] DC [W] Protection type Order-No. 24 VDC Order-No. 230 VAC

G 1/4" 2/2 way 6 0 - 1.0 0 - 0.3 -10 °C...+90 °C no 2000 cycles/min. 10.0 6.0 IP 65 MV01-2214-30 MV01-2214-06

Fuente: SOMMER TECHNIK, Catalogue V7.1 Vacum and Fluid Technology. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.sommer-technik.com/flipview/V71-EN/ p. 80

46

3.3.3 Motores: para este proyecto también se requiere el uso de motores que permitan el cierre y la apertura del tejado para permitir el paso directo de la luz solar a las plantas con el objetivo de controlar la intensidad luminosa que reciba el cultivo dentro del invernadero. Para este tipo de acciones se requiere un motor que tenga más que velocidad, una muy buena potencia, con el fin de que no se sobre esfuerce al mover pate del tejado. Características principales:  Motores potentes (hasta 95 W permanentes a 24 VDC).  Adaptados a tensiones de entre 6 y 75 VDC  Idóneo para las aplicaciones o la electrónica de control, debe descentrarse a causa de la temperatura ambiente elevada.  Sonda de temperatura integrada en el motor. Tabla 9 - Características Generales Motor 80140512

Velocidad máx. (rpm) Pico de par (mNm) Par continuo en parada (mNm) Constante del motor (mNm/W1/2) K de tiempo eléctrico (ms) K de tiempo mecánico (ms) Pérdidas de Joule de pico de par (W) Factor par/velocidad - impedancia nula (mNm/ (rad/s) ) Inercia del motor (gcm^2) Resistencia térmica (°C/W) Temperatura máxima del devanado (°C) Sonde temperatura CTN intégrée Número de fases Número de polos Temperatura ambiente de funcionamiento (ºC) Tensión dieléctrica a 500 V DC (MΩ) Duración de vida (h) Casquillo de salida rodamiento a bolas Masa (g) Longitud (mm) Índice de protección de la caja de los bornes Fuente: CROUZET MOTORS, datasheet Motor No. 80140512, 2015, p. 1

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10000 500 225 57 2,2 1,5 77 3,2 50 5,7 120 Sí 3 en triángulo 4 -40 →70 1000 20000 Sí 900 73 IP54

4 DISEÑO DETALLADO 4.1

PLANO MAQUETA

La maqueta del proyecto se basa en un modelo a escala del invernadero ubicado en Cota, este es un invernadero a dos aguas con dientes de sierra, el cual permite por tener una infraestructura bastante amplia que el prototipo del sistema de control sea más efectivo al controlar una mayor cantidad plantas con la misma inversión inicial. Considerando estos datos, se puede generar información adicional y sabiendo que el tomate Cherry es una especie hortícola, se debe tener en cuenta según su respuesta a las heladas y que su rango de temperatura optima se encuentra por encima de los 20 ºC, se debe considerar muy sensibles, ya que sus órganos pueden sufrir congelamientos temporarios y posterior pérdida por putrefacción o deshidratación, en cualquier momento de la etapa reproductiva por la cual transcurren para completar su ciclo. Todos estos factores ya mencionados se deben adaptar al diseño y construcción del invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry. Para no tener errores de diseño que tengan altísimos niveles de humedad relativa que contribuyen al desarrollo de plagas y enfermedades, lo cual induce a aplicar agroquímicos, decisión que eleva los costos de operación y que reduce la calidad de los cultivos de Tomate Cherry. Otros aspectos, importantísimos en un invernadero, que son ignorados debido a la improvisación, están relacionados con la ventilación. En el diseño del invernadero debe ser importante la altura tanto mínima como máxima con el fin de que exista el aire requerido por las plantas y exista un buena circulación que permita la renovación del aire, también se propuso el techo corredizo con el fin de causar una mejor circulación del aire eso si considerando que no ocurran fenómenos naturales adversos como lluvia, tormentas o sol excesivo. Cuando se imposibilita el uso de la abertura de techo por condiciones climáticas extremas como fuertes vientos, temporales de lluvia y vientos, etc. o por resultar insuficiente la capacidad de dicha apertura para realizar las necesarias evacuaciones de temperatura o de humedad, se recurre a dispositivos electromecánicos (forzadores y actuadores) que permiten extraer los excesos detectados en el ambiente saturado. Si las condiciones climáticas son normales, estas variables temperatura, luminosidad y humedad relativa ambiente del invernadero se controlaran a través de un sistema de ventilación autónomo, con la apertura de techo y la activación de extractores de temperatura con el fin de ambientar en el menor tiempo posible, cada vez que el cultivo lo requiere. Por estas razones se hace muy importante la perfecta ubicación de los sensores electrónicos para arrojar las mejores lecturas y tener una perfecta automatización,

48

ya que de ellas depende la viabilidad de las plantas de tomate cherry. La posición y la ubicación de los sensores están relacionadas con las dimensiones del invernadero automatizado, por lo que debemos asegurarnos que las mediciones registradas sean representativas del ambiente. En algunas ocasiones, la alta temperatura y la alta humedad así como graves problemas de plagas y enfermedades se producen debido a errores en la densidad de siembra. Algunas personas comenten el error de pensar que sembrando más plantas que las recomendables obtendrán más cosecha y se lanzan a la aventura de crear una selva en el invernadero, por la que no se puede caminar para realizar las labores sin dañar sus cosechas, además de generar un clima inapropiado. A la floración, la bulbificación y a la tuberización. El fotoperiodo puede presentarse con signo positivo o con signo negativo, es decir con días alargándose o acortándose; en él es posible identificar dos puntos de inflexión, uno máximo y uno mínimo, En el caso del tomate Cherry, este no representa gran importancia pues es ese exceso de plantas llamado follaje el que bloquea el paso de la luz que es el factor vital para la fotosíntesis, hace barrera al viento limitando la polinización, y ocasiona el aumento de la humedad y de la temperatura, con lo que se baja la productividad y se aumentan demasiado los costos. Además de considerar los requerimientos de luz, temperatura, de humedad, de ventilación y de densidad de siembra, resulta muy importante analizar el fotoperiodo de las plantas que van a desarrollarse en el invernadero. El fotoperiodo es la cantidad de horas luz plena diaria (duración del día), principal responsable de la inducción fotoperiodo pero es recomendable una exposición cercana a las 8 horas de luz/día y máximos superiores a las 16 horas de luz/día. 4.2

PLANO CIRCUITO ELECTRÓNICO

En esta parte de requiere un diseño que sea relativamente independiente y al mismo tiempo compacto, es decir, se piensa en un diseño independiente por cada subsistema (temperatura, humedad y luminosidad), de tal manera que si uno de estos presenta alguna falla bien sea física, lógica o de configuración no afecte a los demás subsistemas ni al circuito en general; de esta manera se conserva la característica de crear un sistema modular y escalable y permite realizar cambios, mantenimientos, reconfiguraciones y recalibraciones de manera más fácil y rápida. Sin embargo, también se requiere que el circuito sea compacto y por el hecho del controlador, este circuito debe ser convergente en el punto de control y debe ser compacto por tamaño para lograr que todo el sistema se encuentre en un mismo punto, que si dado el caso se necesita sea manipulado lo pueda hacer una sola persona en un mismo punto. Siendo así solo los sensores y los actuadores estarán distantes del circuito principal puesto que estos se requieren en sitio de medida o de modificación de los elementos.

49

4.3

ALGORITMO DE CONTROL

Además de los materiales estructurales del invernadero para generar las condiciones ambientales óptimas, se debe tener en cuenta las variables físicas que se automatizaran como: humedad relativa, temperatura, luminosidad, ventilación ambiental. Todas las variables se asociaran a los recursos disponibles tanto económicos como tecnológicos; para así llegar a controlar de manera eficaz y generar confiabilidad de funcionamiento Se le dará el nombre de sistemas de control a las funciones que abarcaran las operaciones básicas de la automatización. Estas operaciones son la regulación y mando, que pueden ser subsistemas de un sistema más amplio del cual forman parte. 4.3.1 Subsistema de regulación: está directamente relacionado con las variables físicas en el tema de control automático, quiere decir que existe un sistema de lazo cerrado en el sistema de control, es decir se comparan las variables de salida y de entrada. Figura 30 - Diagrama Subsistema de Regulación (Lazo cerrado)

Fuente: Autores

50

El subsistema de regulación realiza una comparación entre el valor real de la magnitud de la variable física de salida con el valor que se le asigno en el comparador haciendo uso de un lazo cerrado, y luego modifica la magnitud regulada cuando existe desviación. Así pues el regulador se fija en la desviación del sistema y cuando es distinta de cero una vez las lecturas de salida se alejan del valor específico. A esta realimentación negativa se le llama lazo cerrado. Caso contrario sucede con los sistemas de control de lazo abierto que son aquéllos en los que la única señal que ejerce una acción de control sobre el sistema, es la que entra a él (señal de referencia); en estos casos, la salida no actúa sobre la entrada, es decir la salida no influye en la acción de control. Figura 31 - Diagrama Subsistema de Regulación (Lazo abierto)

Fuente: Autores

En el caso del cultivo de tomate cherry se propone como recurso tecnológico subsistemas de control para: temperatura, humedad relativa e iluminación artificial. 4.3.2 Subsistema de control temperatura: es el mecanismo encargado de controlar las altas temperaturas dentro del invernadero, se fija si la temperatura se incrementa para así enviar señales a los actuadores con el fin de restablecer los niveles adecuados para el prototipo. Se realizarán los correctivos de temperatura empleando la apertura de techo, cuando se sobrepase nivel de temperatura adecuada de 26°C, se habilita el mecanismo que produce la apertura del techo corredizo del invernadero automatizado. Se realizara el procedimiento de cerrado cuando los valores de temperatura se restablecen.

51

Figura 32 - Diagrama Subsistema Control de Temperatura Magnitud de referencia 2

Magnitud de referencia 1

Dispositivo de comparación

Dispositivo de regulación

Sensor de temperatura Invernadero Dispositivo de ajuste magnitud de referencia 1 (apertura y cierre cenital)

Dispositivo de ajuste magnitud de referencia 2 (apertura y cierre lateralesl)

Sistema

Recinto Invernadero

regulado

Temperatura

-

Magnitud: Temperatura ambiente, interior del invernadero. - Magnitud de salida

Fuente: Autores

En el subsistema de control, la medición de salida es el dato de temperatura dentro del invernadero, esta lectura va al dispositivo de regulación donde pasa a ser comparada con el valor preestablecido y cuando este valor es superado por la magnitud de salida se crea una desviación que actuara en el dispositivo de ajuste para actuar y ajustar nuevamente la temperatura. Igual sucederá con la magnitud mínima prefijada que es de 15°C, los dispositivos reguladores emiten la señal que se desvía y actúa sobre los dispositivos de ajuste sobre la referencia indicada.

52

4.3.3 Subsistema de control de humedad: el invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry cuenta, con un segundo subsistema, el subsistema de control de humedad. Este está destinado a mantener la humedad relativa ambiente en el interior del invernadero dentro de parámetros prefijados del tomate cherry entre 65% y 75%. Para ello, el subsistema de control encienden los dispositivos ventiladores con el fin de regular la humedad. Este subsistema se parece al de temperatura, pero solo toma la señal de salida prefijada y no toma un rango. 4.3.4 Subsistema de control de luz: el invernadero automatizado para tomate cherry también cuenta con un subsistema de control de luz artificial, destinada al suministro de iluminación artificial a los cultivos, una vez que la iluminación natural disminuye de cierto nivel. Este se logra con encendido y posterior apagado de iluminación dentro del invernadero. Figura 33 - Diagrama Subsistema de Control de Luz

Fuente: Autores

La magnitud de entrada actúa sobre el dispositivo de mando, un fotorresistor. Este fotorresistor, a través del Arduino produce el accionamiento de un relé que efectúa el encendido o apagado de la iluminación del sistema en el interior del invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry.

53

Se puede decir que este subsistema de iluminación artificial es de realimentación negativa ya que, cuando baja el nivel de iluminación natural, se enciende la luz interna del invernadero (iluminación artificial) y viceversa. 4.4

TOPOLOGÍA DE RED

Este proyecto presenta una topología de red tipo estrella, en esta topología todos los elementos se encuentran interconectados al controlador, partiendo desde los sensores que le llevan las medidas tomadas en el entorno en forma de señales eléctricas, pasando por los actuadores los cuales reciben la señal del controlador para poder efectuar su acción de control, bien sea abriendo la válvula de paso para permitir el flujo de agua que permita el riego de las plantas, como también activando el motor para la apertura del tejado, o encendiendo las luces cuando el cultivo requiera más luz, o en últimas activando los extractores que permitan el flujo de aire para disminuir la temperatura del ambiente. Figura 34 - Topología de red usada en el prototipo

Fuente: RODRIGUEZ FERNANDEZ, Julián. Instalaciones Domóticas. Madrid, España: Paraninfo, 2012, p. 61

Para esta implementación se optó por esta topología de red principalmente por tres características, es muy práctica, muy económica y fácil de implementar. Si revisamos a fondo es una topología de red muy básica y que si bien puede ser “frágil” al tener un punto de convergencia y por ende un principal punto de falla, sin embargo, las características anteriormente mencionadas hacen fácil el manejo y la comprensión para las personas que no están familiarizadas con este entorno, principalmente los agricultores, permitiéndoles dedicarse a sus asuntos y sus actividades cotidianas entendiendo superficialmente la interconexión entre los elementos del sistema.

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5 IMPLEMENTACIÓN 5.1

MONTAJE DE ESTRUCTURA DEL INVERNADERO

5.1.1 Diseño del invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry: se debe tener en cuenta diferentes partes del diseño para optimizar su construcción en pro de alcanzar un buen producto con las características esenciales de calidad. Partes del diseño: Figura 35 - Mapa estructural diseño de Invernadero

Fuente: Autores

Hay varias formas de invernadero; cada una de ellas es más o menos adecuada para cada tipo de cultivo en nuestro caso para el tomate cherry será un invernadero a dos aguas ya existente, otro aspecto importante es su lugar de emplazamiento que es en Cota Cundinamarca y para las condiciones climáticas del lugar. El conocimiento de la forma del invernadero es el que permite seleccionar de una manera más adecuada aquellos materiales que se utilizan para la construcción de la estructura, de las paredes laterales y frontales, de los techos, de acuerdo con sus características, comportamiento frente a factores externos e internos, ventajas y desventajas. Algunas de las configuraciones de invernadero más comunes son:      

Invernadero plano. Invernadero en raspa y amagado. Invernadero asimétrico. Invernadero de capilla. Invernadero de doble capilla. Invernadero túnel.

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5.1.2 Descripción del diseño: se trata de un sistema tecnológico para resolver un requerimiento de automatización en un invernadero ya construido para cultivo orgánico de tomate cherry, en el municipio de Cota Cundinamarca, este sistema automatizado se realiza con base a un invernadero simple ya construido de dos aguas y se implementa con techo corredizo para regular la temperatura con relación a la exterior y ventilación por extractores eléctricos, la que permite la eliminación de la humedad relativa ambiente. Tiene una puerta de acceso frontal para el personal de manipulación y la iluminación artificial es provista por un bombillo. Las dimensiones del modelo que se propuso que corresponden a una escala respecto del invernadero real, están directamente vinculadas a su practicidad y a su aplicabilidad. En cuanto a la practicidad, se toma en cuenta el diseño del techo que es réplica del real, y de buena funcionalidad Otro aspecto importante que se puede observar entre el modelo a escala es que es posible manipular los niveles de temperatura, humedad y luminosidad con el fin de observar el comportamiento de las variables y sensores simulando los cambios de clima de forma más rápida pudiendo comprobar la respuesta automática del sistema y sus variaciones. 5.1.3 Componentes: en este modelo de Invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry, se pueden identificar tres aspectos importantes de la etapa de construcción.  Base  Estructura  Elementos de control y dispositivos 5.1.3.1 Base: es donde se comprende el suelo de la maqueta, es donde se instala el armazón y se instala todos los componentes electrónicos de control, actuadores, fuentes de alimentación, etc. Figura 36 - Base para Prototipo de Invernadero

Fuente: Autores

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5.1.3.2 Estructura: está conformada una estructura en madera que simula las condiciones de construcción reales del invernadero, además sirve de soporte para ciertos actuadores y cableado. Figura 37 - Estructura de Prototipo de Invernadero

Fuente: Autores

5.1.3.3 Elementos de control y dispositivos: son todos los elementos electrónicos utilizados desde sensores, ventiladores, mecanismos de apertura y cierre, cableados, motobomba, microcontroladores, interruptores, todos con sus correspondientes accesorios, y circuitos de alimentación y de conexión. Figura 38 - Elementos de control Prototipo de Invernadero

Fuente: Autores

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5.1.4 Dimensiones del invernadero: están regidas por las características del cultivo principal ubicado en Cota Cundinamarca y se representa a escala. En la decisión de los creadores del invernadero sin automatización (SENA), se guiaron con respecto a las condiciones topográficas y climáticas de la zona, sus medidas son 17m de fondo, 12 metros de ancho frente, 7.75m de alto en la parte más alta y 6.25m en la parte baja. Nota. El invernadero automatizado para cultivo de tomate cherry que se construyó a escala, no está sometido a condiciones ambientales reales externas, ya que será ubicado en interiores para mostrarlo como recurso tecnológico. Pero se representan las temperaturas y condiciones reales.

5.1.5 Disponibilidad de los materiales: son fáciles de conseguir ya que este país es agrícola y existen todos los elementos para la creación del invernadero automatizado, además la parte electrónica tiene facilidades en tecnología y sensores. 5.1.6 Condiciones de aprovechamiento: en el invernadero se debe tener buena ventilación, para controlar los niveles de humedad y temperatura, también es necesario que los cultivos, a través del techo, reciban la mayor cantidad de iluminación y de energía del sol, para tener un óptimo crecimiento. Se debe tener un espacio amplio dentro del invernadero y puertas amplias para el personal encargado. Además se debe considerar estos aspectos:    

Ser muy resistente. Material de calidad y de fácil conservación, Ser susceptible a una ampliación Adaptarse a los materiales de la cubierta.

5.1.7 Materiales e instrumentos: descripción de materiales y equipos utilizados en el prototipo.     

Madeflex de 86cm x 60cm y 2cm de ancho 40 listones de madera de 5mm x 5mm Tornillos auto perforantes de 2cm de largo ventiladores de 12 v 0.5 A Diodos led indicadores

5.1.8 Herramientas: para elaborar este prototipo se requirió hacer uso de las siguientes herramientas de mano.

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          

Cortafríos Pinza punta plana. Alicate. Caladora Tijera para cortar. Destornilladores. Taladro Pistola de silicona Cautín Multímetro Cinta Métrica

5.1.9 Construcción: se divide el proceso de construcción en 5 pasos.     

Paso 1: Construcción de base Paso 2: Construcción estructural Paso 3: Construcción de sistemas de mando Paso 4: Construcción y montaje de circuitos Paso 5: Dispositivos de accionamiento

5.1.9.1 Construcción de la base: Se determinan las piezas que conforman el modelo a escala, para así saber cuál será la base. Figura 39 - Primer paso Prototipo de Invernadero

Fuente: Autores

Por su resistencia se determinó usar una tabla de madeflex de 86cm x 60cm y 2cm de ancho, Esta es la que realmente sirve de apoyo al prototipo de invernadero automatizado. En este modelo, se determinó pintar el área del montaje, con permeabilizante y pintura gris, es decir, el área real del montaje que será de 68 cm x 48 cm ( equivalente a 17m x 12 m), se impermeabiliza ya que tendrá tierra y niveles de humedad que pueden afectar sus características.

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Se tomó como referencia el invernadero real el cual tiene 30 columnas distribuidas en su área interna, con una altura min de 25cm y máxima de 31cm (equivalente a mínima 6.25m y máxima de 7.75m), para la instalación de columnas se taladro la base y se insertaron las columnas de madera utilizando pegante y la misma presión ejercida por la madera Figura 40 - Montaje de columnas de Prototipo de Invernadero.

Fuente: Autores

5.1.9.2 Construcción estructural: se realizó la estructura completamente en madera, uniendo las bases previamente establecidas con vigas y estructuras de techos, todo se realizó martillando alfileres para darle estabilidad. Figura 41 - Montaje de vigas de Prototipo de Invernadero

Fuente: Autores

Luego de realizada la estructura básica se procedió al armado del techo, el cual en una de sus alas va separado y se le instalara un mecanismo para su apertura y cierre.

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Mediante alfileres y tornillos se une la estructura a la distancia necesaria que permita que el mecanismo se mantenga en equilibrio. El sistema de techo corredizo se instaló en la parte central del techo. 5.2

ELABORACIÓN Y PRUEBA DE CIRCUITO

El circuito electrónico se elaboró primero en protoboard para verificar que funcionara correctamente antes de montarlo fijamente en el prototipo, inicialmente se conecta el circuito con lo sensores, el controlador y la pantalla LCD, de esta manera se realizan pruebas de medición con el objetivo de validar la lectura de los sensores y la relación de comunicación de estos con el dispositivo controlador. Una vez probados estas conexiones y viendo la viabilidad del circuito, se procede a elaborar el circuito en una baquelita y posteriormente a conectar el mismo circuito en el modelo a escala extendiendo las conexiones de los sensores y los actuadores para ubicarlos en el punto definitivo donde estos se encontrarán dentro del prototipo. Después de conectar los elementos y fijar el circuito a la base del prototipo se procede a realizar pruebas de funcionamiento nuevamente y se realizan ajustes para rectificar que el circuito sense las variables dentro de los umbrales definidos. 5.2.1 Sistema de lectura: este circuito se encarga de determinar las mediciones de las condiciones ambientales internas del prototipo que proporcionan los sensores de temperatura, humedad y luminosidad, estas mediciones en datos serán reflejadas de forma numérica en una pantalla LCD. Materiales:         

Microcontrolador (Arduino Nano) Pantalla LCD 16×2 Sensor de temperatura LM35 Sensor de humedad DHT 22 Fotorresistencia (LDR) Resistencias de 5K. Potenciómetro de 100k Placa universal para montaje Pulsadores

La pantalla LCD nos sirve para mostrar información en forma gráfica

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Figura 42 - Pantalla LCD

Fuente: BLOG MICROPINGUINO, Electrónica y Programación, Manejo Pantalla LCD 1602 en un microcontrolador. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://micropinguino.blogspot.com.co/2013/04/manejo-pantallalcd-1602-con-el.html)

Se usa un potenciómetro de 100 K, para el contraste de fondo de la pantalla LCD. Los potenciómetros tienen 3 conexiones, una a 5V en el microcontrolador, otra conexión a GND y la pata del centro va conectada al 3 del LCD que es Voltaje de contraste, se usan 6 puertos digitales del microcontrolador para realizar la comunicación de datos. En cuanto al sensor de luminosidad va con conexión a 5V y a GND por medio de una resistencia de 5k ohm pull-up y a su vez se conecta a una entrada análoga del microcontrolador, El sensor de humedad DHT22 es digital, se conecta a GND y a 5v mientras su pata de datos va conectada a una entrada digital del microcontrolador, en cuanto al sensor de temperatura por ser este análogo se alimenta y se conecta a una entrada análoga del microcontrolador. Se utiliza un lenguaje de programación Processing basado en Java para configurar las entradas, salidas y proceso de datos con la ayuda de librerías, que se generan en los sensores y serán mostradas en la pantalla LCD. En este proceso se declaran sentencias que involucran las conexiones físicas con los puertos análogos y digitales del microcontrolador, en estas sentencias se determinan los datos de temperatura, luminosidad y humedad que se medirán constantemente en tiempo real. 5.2.2 Sistema autónomo: este circuito nos automatiza el prototipo generando señales a sistemas actuadores cuando se superan rangos específicos de lectura en los sensores, mediante un sensor de humedad que cuando supere una medida umbral active la motobomba para empezar a bombear agua a las tuberías y realizar el sistema de riego. Así mismo el sistema de extractores que se activa cuando, por un sensor de temperatura, se detecte que el ambiente es demasiado caluroso, activando 2 62

extractores y un ventilador para generar aire fresco además de 2 techos corredizos automatizados y el control de Intensidad de luz que se activara al oscurecer con el fin de encender unas lámparas de sodio recreando los rayos ultravioleta proporcionados por el sol. Materiales:                  

Motobomba de agua Ductos para riego Extractores 1 Ventilador Mecanismo para 2 techos corredizos Sensor de temperatura LM 35 Sensor de humedad DTH22 Sensor de luminosidad LDR Relés de 12v Condensadores cerámicos de 22pF Pulsadores Amplificadores operacionales 741, lm 324 PIC 16f877a Potenciómetro de 10Kohm Resistencias de 1kohm, 100kohm,900ohm, 220ohm Diodos n4001 Cristal de 4Mhz Transistores 2n2222

Este sistema realiza la función de leer los estados de entrada que proporcionan los sensores estos van conectados a las entradas del microcontrolador RB 0, 1, 2. En la programación se asignan los puertos de entrada como RB y los de salida como RA, el código se diseñó con el fin de permanecer leyendo los datos de entrada constantemente, con el fin de verificar los estados de entrada en 0 o 1 de cada puerto RB, sus funciones de lectura activan las salidas cuando en la entrada esta un 0 o un 1 se envía las señales de activación por los puertos RA, el sistema es constante en cuanto a sus mediciones y cuando las variables físicas cambian los actuadores lo hacen por medio de una etapa de potencia accionada por relés. El microcontrolador se caracteriza por recibir las señales provenientes de los sensores físicos, luego estas señales son filtradas se amplifican y posteriormente se digitalizan para actuar automatizando el cultivo. El sensor LDR se conecta a GND y su otro extremo a una resistencia de 1kohm en pull-up 5v y entra al PIC (microcontrolador) en la pata RB0, cuando hay ausencia de luz se genera un 1 lógico que va a la entrada y a su vez actuara, el sensor de temperatura será conectado al PIC en la entrada RB1, este actúa por cada grado de temperatura enviando un voltaje de 0.01v, ya que el microcontrolador PIC no 63

incluye en su arquitectura conversores análogos-digitales, se usara el LM-324 como un comparador en una configuración con dos resistencias de 10kohm en retroalimentación y 900ohm en el pin 2, se establece que cuando allá un voltaje en la resistencia de 900ohm de 0.01v se genere en forma digital hasta llegar al umbral de 22 °C y se forme el 1 lógico para así activar la salida RA1 del PIC y a su vez el techo corredizo y los extractores. En cuanto al sensor de humedad este funciona con un comparador, en este caso el amplificador operacional 741 se conecta con un potenciómetro de 10kohm con el fin de tener un voltaje de referencia, el sensor funciona con condiciones como temperatura y presión atmosférica, cuando el voltaje del sensor sea igual al del comparador y pase el umbral enviara un 1 lógico a RB2 y a su vez en la salida del PIC en RA2 para activar la bomba de agua y el sistema de riego. 5.2.3 Etapa de potencia: la salida del microcontrolador es de 5v y se usan actuadores de diferentes voltajes superiores a 5v, para esto se usa los relés que son bobinas que internamente tienen unos contactos, se usan de 5v y maneja 30 VDC, la salida del microcontrolador va directamente a una resistencia de 10kohm, entra a la base de un transistor 2N2222, el emisor del transistor va a GND y el colector va conectado a la bobina del relé y la otra pata de la bobina va a 5v, se usa el diodo 1N4004 se utiliza para protección de corrientes inversas que se generan por la bobina del relé, por el lado de los contactos del relé se utiliza normalmente abierto con el común para la conexión de los actuadores. Figura 43 - Circuito de Potencia

Fuente: Autores

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5.3

MONTAJE DE CIRCUITOS Y CONTROLADORES EN MAQUETA

5.3.1 Tablero de mando: para el tablero, utilizamos una caja de mecanismos plástica en la cual se han realizado las perforaciones requeridas. Se coloca potenciómetro de LCD, LED, y controles ambientales manuales. Luego, se procede a realizar las conexiones. Este tablero permite seleccionar entre un control automático o manual. En nuestro caso, tenemos tres variables a controlar. Luego de realizar las pruebas correspondientes, se fija el control a la maqueta. Por último, fijamos botones e interruptores en posición. 5.3.2 Construcción y montaje de circuitos: en esta parte se implementa la construcción de circuitería necesaria para automatizar el montaje. Se desarrollan los circuitos en protoboard.       5.4

Control de los automatismos. Entrada de 12 volt (Fuente regulada). Entrada de 110 volt que alimenta las fuentes. Control de mediciones local con pantalla LCD Automatismo de variables Comunicación con dispositivos MONTAJE DE SENSORES Y ACTUADORES

5.4.1 Dispositivos de accionamiento: esta parte se centra en los dispositivos construidos para realizar la apertura y cierre del techo, instalación de sistema de calefacción para dar un ambiente con alza de temperatura y sistemas de ventilación. 5.4.1.1 Luminosidad: la luz es una fuente fundamental de vida para el cultivo de tomate cherry y cumple un papel determinante en el crecimiento y en el desarrollo del cultivo; el tomate cherry depende de la energía solar para el funcionamiento de su proceso fotosintético, por lo que las cubiertas en plástico deben tener las propiedades favorables para el cultivo. Las ondas luminosas tienen energía asociada, la que se transmite en fotones. La energía que posee la onda proporcional a su frecuencia: 𝐸 = ℎ𝑣 Dónde:  E es la energía  H es la constante de Planck, ℎ = 6,624 𝑥 1024 joule . s  V es la frecuencia.

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 La frecuencia de la onda que se propaga es proporcional a la distancia que recorre en un periodo, denominada longitud de onda λ. λ= Dónde:

𝑐 𝑣

 V = es la frecuencia de la onda que se propaga.  λ = longitud de onda.  C = es la velocidad de la luz; C = 3 x 108 m/s para el vacío. 5.4.1.2 Sanidad del cultivo: al aplicar filtros fotoselectivos que es una propiedad de los plásticos de invernadero se puede tener más o menos luz solar en cuanto a calidad y duración, de esta forma se crean ambientes que reducen la presencia de insectos y evitan la contaminación de los cultivos por virosis, esta propiedad del plástico al ser fotoselectiva contribuye en el control de patógenos al reducir las radiaciones solares que causan germinación de esporas. 5.4.1.3 Temperatura: el factor más importante a controlar dentro del invernadero automatizado para tomate cherry es la temperatura y es de tener en cuenta que se debe lograr termicidad con la puesta del plástico, este debe tener propiedades IR (infrarrojo), termorreguladoras y estabilizantes para impedir que se desgaste y dañe por efecto de la luz ultravioleta, el techo del invernadero requiere de bloquear la radiación UV de por lo menos 315 nm. 5.5

MONTAJE DE CÁMARA DE VIDEO

Esta tecnología se utiliza en el prototipo automatizado para tener acceso al cultivo las 24 horas del día y monitorear los avances y crecimiento del tomate, además de ser un sistema de monitoreo es un sistema de seguridad que genera bienestar y tranquilidad. Al estar conectada por una dirección IP permite ser accedida desde cualquier parte del mundo. Su interfaz se realiza conectándola a un sistema digital de video que va enrutado a Internet y su visualización se realiza desde cualquier dispositivo móvil, Laptop o Computador de escritorio.

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Figura 44 - Cámara domo

Fuente: INVISSION, Sistemas de Vigilancia, Cámara Domo Anti vandálica 800 TVL 25M. [En línea] [Citado el 16 de noviembre de 2015]. Disponible en: http://www.invission.es/domo-exterior/327camara-domo-antivandalica-800-tvl-25-m.html)

Es una cámara de video vigilancia domo a color con Leds infrarrojos para visión nocturna de 700 líneas de televisión de resolución (TVL). Esta cámara muestra las imágenes en color de todo lo que ocurre de día y de noche, con poca o ninguna luz se activa el encendido automático de su corona de Leds infrarrojos para visión nocturna hasta 30 m de distancia a 0 Lux. La cámara domo con iluminadores infrarrojos cuenta con una lente de 3,6 mm y sensor de imágenes CMOS de 1/3” que proporcionan un ángulo de visión de 75º. Estas características técnicas de la lente permiten visualizar las imágenes de alta calidad de 700 TVL. Ficha técnica:            

Elemento de imagen: sensor 1/3" CMOS. Salida de vídeo (BNC): 1 Vpp / 75 Ohms. Resolución: 700 líneas. Iluminación mínima: 0 Lux con infrarrojos. Relación señal/ruido: Más de 48 dB. Corrección gamma: 0,45. Control auto ganancia: automático. Lente: 3,6 mm (72º). Alcance de los Infrarrojos: 15 metros. Encendido Infrarrojos: automático. Temperatura de funcionamiento: -10 +50 ºC. Temperatura de almacenaje: -10 +60 ºC.

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    5.6

Alimentación: 12 V. Consumo: 500 mA. Dimensiones: 94 mm x 94 mm x 69 mm. Peso: 200 gramos. INTEGRACIÓN CON DISPOSITIVOS MÓVILES

Para la integración del circuito con los dispositivos móviles se utilizó el programa eclipse para crear el código que permitiera elaborar un aplicativo para Android capaz de interactuar con el prototipo de manera que permita el control de las variables de manera remota y la transmisión de video en vivó. Lo primero que se elaboró fue el código para que permita la lectura del controlador de manera que pueda presentarnos en una pantalla las variables que está midiendo el sistema y de esta manera poder tener una información general del estado del invernadero a nivel de las variables físicas a controlar. Una vez que el sistema tomara las lecturas del controlador se elaboró el código para que este pudiera modificar los parámetros de control de todo el sistema, esto con el fin de que si el usuario en determinado momento cambia el entorno del invernadero al incluir más plantas o al retirarlas, pueda modificar las variables manualmente mientras se ajusta nuevamente el sistema para el nuevo entorno. Luego de poder tener la aplicación en modo lectura (automático) o en control manual se procedió a la integración de la transmisión de video en vivo, esta transmisión de video se realizó a nivel de una red LAN uniendo el dispositivo móvil al WiFi de esta lo cual garantiza alta calidad sin distorsión del video. Este programa sigue el concepto de sistema modular por si se requiere agregar en un futuro más elementos de control, bien sea para las mismas variables o para controlar otras.

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6 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Con el fin de comprobar la funcionalidad e integración del prototipo propuesto se diseñó y construyó una maqueta emulando el invernadero real de la problemática planteada y se realizaron una serie de pruebas con el fin de obtener los mejores resultados. Para iniciar las pruebas, se obtuvieron datos del cultivo sin controlarlo ni automatizarlo, estos datos obtenidos de agricultores de Cota Cundinamarca permitieron obtener los valores ideales de las condiciones ambientales a tratar  Temperatura mínima: 15°C  Temperatura máxima: 25°C  Luminosidad ideal: alrededor de 40000 lx, el lux es la unidad de medida y 100000 lx equivale a un día despejado.  Humedad: entre 65% y 75% La principal dificultad fue la puesta a punto de los circuitos electrónicos y la comunicación con dispositivos móviles para el control manual. También se tuvo complicaciones en cuanto el diseño del techo corredizo, se tenían dudas de capacidad de peso y velocidades de apertura y cierre. 6.1

PRUEBAS DE TEMPERATURA

En este proceso primero se diseñó y se implementó un sistema con microcontrolador PIC 16F877A con un cristal de 20Mhz y un sensor de temperatura LM-35 que se alimentó con 5v para proporcionarnos 10 mV por cada grado, la lectura del sensor LM-35 pasa por un Amplificador operacional el LF-353 donde se ajusta la ganancia, de ahí pasa a una entrada del microcontrolador y la salida de este pasa a una etapa de potencia. 6.1.1 Temperatura máxima: esta prueba consiste en permitir que el prototipo de invernadero automatizado para tomate cherry se caliente tanto como sea posible, este se realizó utilizando una resistencia eléctrica de calor a 110v por un minuto, midiendo con el multímetro se alcanzaron temperaturas de 60°C.

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Figura 45 - Prueba control de Temperatura

Fuente: Autores

Se verifica que el sistema detecte la temperatura umbral de 25°C y se observa que el sistema de enfriamiento trabaje al máximo, es decir empiece a bajar la temperatura con los actuadores ventilador y techos corredizos. 6.1.2 Temperatura mínima: esta prueba consiste en probar el desempeño del control de temperatura en el rango mínimo que es de 15°C, donde el sistema verifica que los techos estén cerrados, los extractores y ventilador apagados. Esta prueba se realizó utilizando agua congelada y un ventilador para reducir la temperatura emulando un día de heladas en la sabana de Bogotá, se baja la temperatura a 5°C y se verifica le correcto funcionamiento con aviso lumínico de estado frio. 6.2

PRUEBAS DE LUMINOSIDAD

Se realizó el montaje de esta etapa donde el programa del microcontrolador realiza la conversión analógica a digital del voltaje que arroja la señal del sensor de luz LDR, internamente se ajusta el valor umbral a un porcentaje de menos de 40000 lx y se empieza a activar las luces aumentando su intensidad conforme se oscurece.

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Figura 46 - Prueba de control Luminosidad

Fuente: Autores

Esta prueba se realizó tapando el sensor LDR con un cartón oscuro y apagando las luces, luego se le aplicaba luz directa al sensor y se comprueba el correcto funcionamiento. 6.3

PRUEBAS DE HUMEDAD

Se implementó con un sensor DHT-11 para medir humedad entre 20% y 80% con una precisión de 5% con periodos de muestreo de 1 segundo, este permite obtener lecturas del aire que lo rodea, en este caso el aire interno del invernadero a una humedad de entre 65% y 75% que activara el sistema de bombeo si el nivel de humedad está por debajo del umbral de 65% se activara la motobomba generando un riego en el cultivo si la humedad llega al estado de ideal la motobomba se detiene si la humedad supera el umbral de 75% un sistema de extracción ayudara a sacar el aire húmedo y recuperar el nivel adecuado una vez llegue al nivel se apagara el extractor.

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Figura 47 - Prueba de control de Humedad

Fuente: Autores

6.3.1 Humedad mínima: la prueba se realiza con tierra totalmente seca midiendo el nivel de humedad que arroja alrededor de un 60% de humedad, se comprueba que el sistema de bombeo se active y empiece a cambiar los valores y a incrementarse la humedad. 6.3.2 Humedad máxima: la prueba se realiza con la totalidad de la tierra mojada donde la humedad es máxima a un 90% más o menos y se activa el sistema de extractor y ventilador con el fin de secar la tierra un poco y bajar la humedad. 6.4

PRUEBA DE SISTEMA DE VIDEO

Una vez instalada la cámara infrarroja, el grabador digital de video, la red con conexión a Internet y la aplicación en celular o Tablet, se realizan las pruebas de comunicación abriendo el puerto 3456 del router y grabador digital de video, posterior a eso se realiza la configuración del dispositivo Android con la aplicación para ver la cámara.

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Figura 48 - Prueba transmisión de video

Fuente: Autores

En las pruebas se realiza la conexión y verificación de video en tiempo real, se revisan videos de grabaciones, se apagan las luces y se tapa la cámara con el fin de verificar el video infrarrojo para la función nocturna, prueba realizada con dispositivo Android. 6.5

PRUEBA DE CONTROL CON DISPOSITIVO ANDROID

Se realiza una aplicación en Android para Tablet y Smartphone, con el fin de controlar las variables físicas (temperatura, humedad, luminosidad), de forma remota en encendido y apagado de los actuadores. Figura 49 - Prueba interacción Smartphone

Fuente: Autores

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La prueba se realiza conectando el modulo Ethernet del sistema invernadero a la red y posterior a esto se realiza la comunicación y encendido de todos los dispositivos de forma remota utilizando la aplicación previamente creada.

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7 CONCLUSIONES Al elaborar este proyecto de grado, durante el periodo de recopilación de la información, la etapa de diseño, la etapa de implementación y las pruebas realizadas, podemos encontrar las siguientes conclusiones.  El proceso de automatización agrícola es una buena inversión no solo para la región de Cota sino para todo el país entero y por ende se puede aplicar a los diferentes cultivos que se producen en cada piso térmico, con esto se puede mejorar la calidad del cultivo y se reducen los costos de producción, sería conveniente para el desarrollo de la economía del país que el ministerio de agricultura generara planes de apoyo para la unión Agricultura-Tecnología con el fin de promover esta iniciativa y apalancar la inversión inicial de este tipo de proyectos en los cultivos de los agricultores.  La adaptación de esta tecnología en el desarrollo de actividades cotidianas para el manejo de un invernadero ha permitido que los agricultores dispongan de más tiempo para otras actividades como compartir con la familia con el fin de que le puedan dedicar tiempo de calidad a sus hijos o que puedan mejorar sus ingresos al poder controlar en menos tiempo más cultivos con la ayuda del control automático y la transmisión de video en vivo de manera remota.  El prototipo puede ser ampliado con la implementación de otros elementos que puedan controlar diferentes variables a medida que vaya avanzando la tecnología o sea necesario controlar otros factores físicos. Esto quiere decir que el diseño tiene una característica modular que le permite ser ampliada bien sea en tamaño, por si se requiere controlar más cantidad de plantas o de cultivos; o bien en cantidad de variables a controlar e incluso en cantidad de invernaderos si se piensa en tener un punto de control para una cierta cantidad de estos, aunque esto requerirá elementos más robustos como un servidor para controlar con este los dispositivos.  Si se implementa una base de datos se puede llegar a tener un sistema que no solo sea reactivo, se puede llegar a tener un sistema preventivo o predictivo. Esto se puede desarrollar al diseñar un sistema que se pueda interconectar con este proyecto y que pueda almacenar la información capturada para que sea analizada e incluso graficada para temas estadísticos y gerenciales, después de esto elaborar un algoritmo que con base en esta información pueda mostrar la tendencia del cultivo por la trayectoria que este tiene para prevenir cuando puede requerirse más de algún recurso o el cambio de algún elemento lo cual permite realizar planes de inversión y control de presupuesto.

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 El control a distancia de las variables en cuestión (temperatura, humedad y luminosidad) hace que la persona encargada pueda, en tiempo real, monitorear el estado del cultivo, lo cual permite garantizar una mayor calidad del producto, con más cobertura y menor esfuerzo, además de esto es un sistema fácil de usar que no requiere mayor capacitación en cuanto a la administración tecnológica, ni destreza de conocimientos para el mantenimiento permitiendo al agricultor dedicarse a lo que realmente sabe.  El proyecto con base en la transmisión de video pensado para una supervisión del cultivo, es pensado para reducir tiempos de vigilancia en los invernaderos, para tener un sistema más autónomo por el hecho de que no sería practico que el sistema sea automático pero se requiere estar visitando constantemente el sitio para estarlo supervisando, así mismo permite que los agricultores compartan más tiempo con la familia o en otras actividades que ellos requieran. Sin embargo, en el momento del diseño se analizó la posibilidad de que implementar cámaras que permitan detectar el cambio de color en las hojas para que el diseño pueda avisar cuando hay posibles plagas o enfermedades en las plantas, pero esta implementación no es muy viable desde nuestro punto de vista por tres razones:  La inversión inicial es muy alta por requerir elementos de una tecnología más avanzada y por ende más costosa.  Para que estas cámaras realicen una correcta detección del cambio del color en las hojas de las plantas se requiere que cada cámara apunte a una, dos o por mucho tres plantas especificas lo cual aumenta los costos del proyecto.  La cantidad de estas cámaras, el cableado desplegado si es por medio guiado o las ondas electromagnéticas que se generen dentro del invernadero pueden afectar en el natural y libre crecimiento de estas plantas.

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ANEXOS Anexo A - Plano maqueta en proyección ortogonal (Vistas)

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Anexo B - Plano maqueta (Isométrico)

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Anexo C - Plano circuito electrónico

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Anexo D - Comparativo tipos de invernadero

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