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7 INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1.1 Características de los invernaderos y tipos que existen. 15 Tabla 2.1 Resultado entregado por la Universidad Autónoma de 17 Querétaro al estudio del consumo de agua y producción de un cultivo de tomate.

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INDICE DE TABLAS

Pág. Tabla 1.1 Características de los invernaderos y tipos que existen. 15 Tabla 2.1 Resultado entregado por la Universidad Autónoma de 17

Querétaro al estudio del consumo de agua y producción de un cultivo de tomate.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA  

Aunque Colombia es un país rico en suelos, estos cada vez son menos utilizados por diferentes factores como: la violencia en zonas rurales, el invierno, el poco aporte económico a la agricultura, los cultivos ilícitos, la contaminación ambiental, la diferencia del costo de producción con otros países, el contrabando, la explotación minera etc. Esto ha llevado al país a tener la necesidad de importar alimentos de otros países. Todos estos factores han empezado a dejar una herida en nuestras tierras y cada vez es más difícil encontrar sitios adecuados para la producción de los alimentos utilizados en la canasta familiar, esto ha disparado los precios de estos productos generando además un problema económico y social. El comercio es un factor muy importante en la economía de este país y la agricultura es una variable vital de este factor y esta realidad la vivimos todos los colombianos debido a que nos vemos directamente afectados por alto costo de vida que esta aumentando en nuestro país. Es más difícil para el comerciante conseguir los alimentos para su respectiva venta obligándolo a buscar otras opciones para obtener su sustento diario, esto conlleva a la terminación de las plazas campesinas, obligando a los colombianos a comprar en grandes almacenes los cuales importan los productos aumentando esta problemática. El aumento de la población perjudica esta problemática, ya que la agricultura no posee la capacidad para suplir la demanda alimenticia del país, y el gobierno solo ha encontrado como solución la importación de alimentos de países que carecen de suelos fértiles, pero que han encontrado metodologías para aumentar su producción. Cada vez son pocas las personas que saben de agricultura, debido a que el agricultor ha abandonado el campo en busca de mejores oportunidades en la ciudad, en la actualidad el agricultor orienta a sus hijos a una vida fuera del campo, esto conlleva una reducción en el conocimiento y experiencias aqueridas en esta disciplina, por eso no se logran los resultados que este país podría generar. El poco conocimiento que se tienen de los invernaderos y la poca implementación de la tecnología han llevado a no tomar como solución la creación de sistemas artificiales de ambientes adecuados para el cultivo de alimentos, en un país en el cual siempre se había cultivado en un ambiente natural.

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2. JUSTIFICACIÓN El sistema de monitoreo a implementar será de gran utilidad para el agricultor, ya que podrá obtener cómodamente los datos de manera inalámbrica de las variables de acondicionamiento de un ambiente adecuado para su cultivo desde un sitio remoto; este sistema de comunicación le permitirá al agricultor tomar decisiones acertadas y favorables para su cultivo en un menor tiempo, todo gracias a la utilización de métodos de comunicación como wifi, que permite tener un monitoreo constante entre el operador y el invernadero. La utilización de dispositivos de censado permite entregar un informe detallado de los factores ambientales en un invernadero, logrando aumentar la calidad del producto, un constante seguimiento al cultivo, reducción de plagas, reducción de costo, mayor acondicionamiento al ambiente necesitado para el producto, etc. En algunos países ya se han implementado estos sistemas de monitoreo generando una gran acogida por los usuarios que sean visto beneficiados por este nuevo método de trabajo, mientras que en otras naciones solo unos cuantos productores agrícolas han tenido acceso a esos avances tecnológicos. Como consecuencia de ello, unos productores de otros países o del mismo país obtienen cosechas más abundantes y por ende más económicas por cada unidad de producción (kilos, arrobas, toneladas). Por estas razones, cuando el agricultor que no ha incorporado tecnología saca al mercado sus productos tiene la sensación de que los precios son demasiado bajos y en muchos casos sus resultados son de pérdida, porque otros agricultores han logrado mayor productividad y por lo tanto menores costos, lo que significa que el otro productor es más productivo. Productividad es una de las variables más importantes de nuestra época. En todos los negocios es necesario ser productivo para ser competitivo. No es la agricultura la excepción. Se es competitivo o se va saliendo del mercado, y eso es lo que esta sucediendo con productos agrícolas fundamentales para la seguridad alimentaria, están siendo importados cada vez en mayores proporciones, afectando de manera directa las oportunidades de trabajo nacionales, la balanza comercial y el producto interno bruto. Lo más impresionante es que países que carecen de suelos productivos han logrado optimizar estas nuevas tecnologías llevándolas aun nivel de producción superior a los que se podrían darse en un sistema de cultivo tradicional. Es importante tener en cuenta que nuestros ecosistemas se están debilitando, y muy pronto será difícil encontrar ambientes en los cuales se pueda cultivar, lo que deja como única opción la utilización de los invernaderos para el cultivo de nuestros alimentos.

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3. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL Implementar un sistema de monitoreo de un invernadero adquiriendo señales de sensores de factores específicos (temperatura, pH, humedad, luminosidad), para lograr un monitoreo adecuado en un centro de control remoto con un sistema de comunicaciones Wi-Fi para proveer a los agricultores de una herramienta tecnificada que permita establecer estrategias para aumentar la productividad de sus productos.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Caracterizar la información a partir de bases de datos y documentación referenciada construir un estado de arte del uso de sensores de variables involucrados en un invernadero y de los sistemas de comunicación Wi-Fi.

• Diseñar e implementar un sistema de adquisición de datos de acoplado a sensores de tres variables en un invernadero.

• Implementar un sistema de comunicación Wi-Fi, para enviar información del invernadero a un centro de control remoto.

• Diseñar e implementar una interfaz gráfica de usuario que permita visualizar los diferentes valores de variables que se obtienen de los sensores para realizar un monitoreo de variables ambientales en el invernadero.

• Crear un manual de usuario del sistema diseñado.

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4. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE En la presente sección se realiza una descripción detallada del marco teórico y un conciso estado del arte; con el fin de contextualizar al lector en los propósitos y fundamentos del proyecto.

4.1 WI-FI Las tecnologías inalámbricas de comunicaciones llevan conviviendo con nosotros desde hace muchos años, nada menos que desde principios de los 90, aunque de manera un tanto caótica en tanto que cada fabricante desarrollaba sus propios modelos, incomprensibles para los demás. A finales de los 90 compañías como Lucent, Nokia o Symbol Technologies se reúnan para crear una asociación conocida como WECA (Wireless Ethernet Compatibility), que en 2003 pasó a llamarse Wi-Fi Alliance, cuyo objetivo era no sólo el fomento de la tecnología WiFi sino establecer estándares para que los equipos dotados de esta tecnología inalámbrica fueran compatibles entre sí.[A5]

4.2 SENSOR Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas. Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes, sino lograr operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de los sensores sin tener presente sus respectivos acondicionadores de señal, ya normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar, procesar y actuar con dichas medidas. No se tiene una fecha exacta de la creación de los primeros sensores pero en la actualidad son dispositivos muy utilizados en el diseño de robots, domo tica, y automatización.

4.3 INVERNADEROS Se tiene que los primeros usos de un invernadero se dieron en la época romana, ya que se tiene en escritos que por las exigencias de emperadores en sus dietas, ya que pedían comer cosas fuera de temporada o exóticas, así que un jardinero había instalado su propia manera artificial de cultivar la cual es un método utilizado aun en la actualidad, el cual consiste en crear condiciones de una cierta manera permanente para que pueda ser cultivada en todo momento. Durante el S.XIII, en Italia se hizo una fabricación de edificios con la función de hacer crecer plantas exóticas, después se extendió esta idea a lo que es Inglaterra y los

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países bajos; aunque en ese entonces presentaba problemas deficientes como escases de aire y el flujo del calor normal, lo que provocaba que los cultivos no se desarrollaran de una manera adecuada o murieran en corto tiempo. Después, estos los “jardines botánicos” solo eran utilizados en países de altos recursos económicos como Inglaterra, Italia, Alemania, etc. y en algunas universidades reconocidas comenzaban su experimentación para el mejoramiento y perfección de estos, enfocándose en la ventilación, el espacio, las plantas que se pueden mantener ahí, etc. En el S. XVII se produce la tecnología para fabricar cristales que serían utilizados en la construcción de edificios de invernaderos, además se desarrolla una mejor manera en su construcción de tal manera que fuera más práctico o más útil para las plantas que eran necesarias y con el cristal ya se podía mantener un ambiente más cálido. Para el S. XIX se crean los invernaderos de gran tamaño e importancia como el de Inglaterra llamado “new gardens”. En la actualidad existen invernaderos más grandes y su uso es más frecuente, esto es gracias a la ventaja del sistema de invernadero sobre el método tradicional a cielo abierto, ya que bajo invernadero, se establece una barrera entre el medio ambiente externo y el cultivo. Esta barrera limita un microclima que permite proteger el cultivo del viento, lluvia, plagas, enfermedades, hierbas y animales. Igualmente, esta protección permite al agricultor controlar la temperatura, la cantidad de luz y aplicar efectivamente control químico y biológico para proteger el cultivo. Países como México y España han desarrollado la tecnología del invernadero para lograr mejorasen su producción. La producción de jitomate en la zona del bajío Mexicano y los campos de Almería en España. Invernadero es un espacio con el microclima apropiado para el óptimo desarrollo de una plantación específica, por lo tanto deben obtenerse en él la temperatura, humedad relativa y ventilación apropiadas que permitan alcanzar alta productividad, a bajo costo, en menos tiempo, sin daño ambiental, protegiéndose de las lluvias, el granizo, las heladas, o los excesos de viento que pudieran perjudicar el cultivo. Es muy común que se improvisen invernaderos, razón por la cual en algunos países existe una composición muy heterogénea de productividad por planta o por metro cuadrado. En algunos lugares puede encontrarse productores que obtienen entre 6 y 12 kilos por planta y a poca distancia de ellos otros que producen entre 13 y 22 kilos por planta, pero también otros que solo producen entre 2 y 5 kilos por planta, sembrando las mismas semillas. Hay un axioma que es digno de tenerse en cuenta, “el que menos produce incurre en mas costos” por las siguientes razones: Obteniendo mayor rendimiento, el costo por kilo es menor Es inversamente proporcional la productividad con los costos derivados de insumos para manejar el cultivo. A menor rendimiento mayor superficie para cosechar el mismo volumen. Cuando una planta no tiene alto rendimiento es porque ha tenido problemas de exceso o falta de humedad, de exceso o falta de nitrógeno, de exceso o falta de temperatura, de exceso o falta de ventilación, de exceso o falta de luminosidad, es decir ha tenido problemas de manejo de la plantación:

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4.4 MANEJO DE LA PLANTACIÓN. Graves problemas de plagas, enfermedades, alta humedad y altísimas temperaturas se producen debido a errores en la densidad de siembra que son muy comunes en nuestro medio. Algunas personas piensan que sembrando más plantas que las recomendables, o que manejando dos ejes, obtienen más cosecha y se lanzan a la aventura de crear en el invernadero una selva por la que no se puede caminar para realizar las labores sin dañar flores, frutos y tallos, además de que generan un microclima inapropiado. En ese exceso de follaje se bloquea el paso de la luz que es el factor vital para la fotosíntesis, se hace barrera al viento limitando la polinización, aumentando la humedad y la temperatura, con lo cual lo que se consigue es bajar la productividad y aumentar los costos. Los invernaderos pueden construirse de madera, con caña guadua o Guadua, mixtos o metálicos y cumplen la función de crear un microclima perfectamente controlable que permita mantener la temperatura y humedad relativa más apropiadas para el proceso fotosintético de un cultivo específico, reduciendo los riesgos y los costos globales, aprovechando mejor los espacios, incrementando la productividad y mejorando la calidad de los productos. En síntesis, la recomendación es la de hacer, para cada caso, un estudio previo de ambientación climática que permita obtener buenos resultados tanto en el campo económico como en el aspecto ambiental y de la salud humana. El invernadero debe ser un área protegida y controlada, establecida para evitar que la plantación se exponga a todos los factores que pudieran perjudicar sus resultados, tales como: 4.4.1 Exceso de Humedad Relativa De no ser controlada la ventilación desde el diseño, el área queda muy vulnerable a que se incremente la humedad relativa y por tanto a que se desarrollen plagas y enfermedades que pondrían en peligro la producción e incrementarían de modo sustantivo los costos de operación por la aplicación de agroquímicos para enfrentarlas. Las esporas de la mayoría de los patógenos germinan a más de 90% de humedad relativa, lo que quiere decir que si una plantación es controlada eficientemente para que la humedad ambiente esté por debajo de este porcentaje el éxito está prácticamente asegurado. En sentido contrario un diseño que no considere y resuelva este aspecto o un descuido en el manejo serían supremamente costoso para el productor tanto en la reducción de la productividad como en la calidad de los frutos y en el incremento de los costos de producción.

4.4.2 Altas o Bajas Temperaturas La temperatura es determinante en los resultados agrícolas. La fotosíntesis se ve perjudicada o beneficiada según los rangos de temperatura que se suministren al área controlada y su aproximación o diferencia con las temperaturas óptimas para el desarrollo adecuado de las plantas protegidas. El control de las temperaturas contribuye a aumentar la productividad, a mejorar la calidad de los frutos y a reducir los riesgos y costos derivados de la utilización de agroquímicos.

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4.4.3 Luz Ultravioleta La utilización de plásticos con propiedades para bloquear el paso de la luz ultravioleta beneficia a las plantas porque evita que se filtre por el plástico el rango de luz UV que estresa a las plantas, que tiene efecto deprimente, y que contribuye a producir ennegrecimiento, quemazón y plagas. El plástico impide el paso de esta luz y consigue que se reflecte o se absorba. Adicionalmente, el plástico consigue que la luz que ingresa al invernadero se difunda en ciertas proporciones, beneficiando la plantación al distribuir homogéneamente la luz en el espacio protegido. Existen también plásticos foto selectivos con propiedades diversas, entre ellas la limitación germinadora de las esporas de algunos patógenos y del bloqueo para la presencia de algunas plagas. 4.4.4 Viento El viento es uno de los factores más importantes en el control de un invernadero, por que tenemos que:

• Balancear las temperaturas. • Reducir la humedad relativa. • Polinizar las plantas. • Oxigenar la plantación. • La dirección del viento es determinante en función de varios aspectos. • Protección de la estructura porque esta debe situarse en dirección que evite ser

dañada por vientos extremos. • Evitar que los gases acumulados en la parte superior circulen entre las plantas. • La orientación del cultivo para la ventilación de las plantas y su consiguiente

polinización. 4.5 CONTROL El control es una parte esencial en el invernadero, ya que con el podemos conocer el comportamiento climático que este afectando la cosecha. Éste control puede ser realimentado o anticipatorio, en lazo abierto o cerrado, también permite la exploración de posibles comportamientos en presencia de incertidumbre, ruido, y fallas de componentes. Los objetivos que se fijaron haciendo uso del control son:

• Garantizar la estabilidad y ser robusto frente a perturbaciones. • Ser tan eficiente como sea posible, evitando comportamientos bruscos e irreales. • Ser de fácil implemento y cómodo de operar con ayuda de un ordenador.

Los elementos básicos que forman nuestro sistema de control son:

• Sensores: permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema • Controlador: utilizando los valores de entrada y la respuesta obtenida, determina

la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a la salida deseada.

• Actuador: es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control.

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4.6 ESTUDIO DEL ARTE

Este proyecto es un estudio enfocado a la implementación de metodologías que nos permita facilitar nuestra forma de vida, en este trabajo tomamos como investigación el diseño de un sistema de monitoreo, que permita al usuario tener la facilidad de poder comunicarse con su planta, o lugar de trabajo. Escogimos como planta un invernadero, lugar donde se proporciona un clima adecuado artificial para el cultivo de flores, fruta, y alimentos de la canasta familiar. Debido a que es un tema muy tentativo por el tipo de tecnología que se esta aplicando en la actualidad.

Este proyecto tiene una importancia de carácter social, ambiental, y económica, debido a la gran productividad que se puede obtener si esta investigación arroja los resultados esperados. Revisando otras investigaciones que han hecho en otros países por ejemplo la Universidad Autónoma de Querétaro México nos han demostrado que estos sistemas son excelentes metodologías para conseguir mejores resultados que los que se tienen hasta el momento. La tecnología en la rama de electrónica nos entrega una cantidad de posibles elementos que se pueden utilizar en estos invernaderos. Un dispositivo muy importante son los sensores que son los encargados de monitorear constantemente el espacio de trabajo. En la rama comunicaciones se encuentra la más importante herramienta que este proyecto se utiliza que es la tecnología Wi-fi, método capaz de comunicar un lugar a otro remoto, permitiendo controlar, monitorear o tomar decisiones a larga distancia. La tarjeta Wi-fi que en este proyecto se utilizara es la RN-171 capaz de transmitir información de 8 sensores al tiempo. Todos estos elementos combinados generan un espacio confortable de trabajo y una productividad agrónoma, dando una solución a pequeña escala de la problemática ya mencionada al principio.

TIPOS DE INVERNADEROS

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Tabla 1.1. Características de los invernaderos y tipos que existen.

IMPORTANCIAS DE UN INVERNADERO

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Un invernadero ayuda a mantener un clima adecuado para la producción no solo de flores, sí no también de productos agrícolas como verduras, frutas, etc. Los cuales son elementos básicos en la alimentación de las personas tanto en zonas rurales como en urbanas, la función del invernadero en la producción agrícola se fundamenta en que se pueden mantener productos fuera de temporada, lo cual provoca una mayor producción para una demanda fuerte proveniente de ciudades altamente pobladas como Bogotá. Además, una de las ventajas del invernadero es que pueden ser usadas en comunidades para beneficio de las mismas que no tienen cerca recursos para comprar alimentos y no es necesario tener grandes conocimientos de jardinería y botánica para poder mantenerlo en uso.

¿DÓNDE SE NECESITA UN INVERNADERO? Lo invernaderos frecuentemente son utilizados cuando se requiere acelerar el cultivo con ciertas condiciones de clima, las cuales son proporcionadas por el invernadero. Pero donde puede ser más útil su uso es en las zonas áridas donde no llueve muy seguido, así como en climas hostiles con cambios muy dramáticos, ya sea frio o calor, que afectan a las plantas de los cultivos. LAS VENTAJAS DEL USO DE UN INVERNADERO EN ESTAS ZONAS Y EN GENERAL SON: DIFUSIÓN DE LUZ: Porque un invernadero puede cambiar la dirección de los rayos solares distribuyéndola equitativamente por toda el área para beneficiar a todo el invernadero en su conjunto y a la vez impedir que lleguen directamente a la planta. La luminosidad se puede obtener en mayor o menor grado dependiendo del diseño y cubierta del invernadero. Este aspecto permite el buen desarrollo del cultivo y ayuda a la mejor obtención de frutos. FOTOSINTESIS: El proceso fotosintético se ve favorecido dentro del invernadero, debido ala forma en que es difundida la luz y a la conservación de temperaturas. MICROCLIMA: Manejar un microclima que permite controlar y mantener las temperaturas óptimas, aporta que las plantas sean más abundantes y de mejor calidad, también puede permitir programar las cosechas para épocas de escasez. Con esto, podemos saber que la real ciencia de los invernaderos, es el poder mantener la temperatura de los rayos focalizada, en su interior. Lo cual eleva la temperatura interna del invernadero. Por medio de la concentración de calor dentro del mismo. Esto permite que muchísimas plantas se puedan dar de mejor manera. Más aún, cuando se trata de algunas que con las bajas temperaturas del invierno se marchitan o sufren por éste cambio. Es por lo mismo, que un invernadero, es una herramienta efectiva, para poder cultivar plantas, independiente la época del año, en que se está viviendo. Un estudio de la Universidad Autónoma de Querétaro encontró que el rendimiento en un invernadero es al menos 5 veces mayor que en campo abierto y 2.5 veces mayor que en un invernadero sin automatizar.

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Tabla 2.1. Resultado entregado por la Universidad Autónoma de Querétaro al estudio del consumo de

agua y producción de un cultivo de tomate.

SISTEMA EFECTIVO Dentro de los aspectos que debe proporcionar un invernadero para considerarse efectivo están: El aire, en éste aspecto podríamos tomar en cuenta las dimensiones con las que construimos el invernadero, éstas deben ser de un tamaño que permita a las plantas respirar, también está la ventilación, que podemos usar para brindar un poco de brisa a nuestras plantas de vez en cuando. La temperatura, es muy importante que se mantenga en el rango ideal para las plantas, ya que si el interior ésta muy frio o muy caliente, puede afectar en el desarrollo de las mismas. El riego, sabemos que un invernadero proporciona cierto ahorro de agua ya que usualmente su interior es un poco húmedo, pero es importante tener en cuenta la forma en que se van a regar las plantas, fijándonos en que sea de forma distribuida y eficaz para tener un consumo moderado de agua. También ésta la iluminación, en éste aspecto podemos tomar en cuenta la posición del invernadero, lo más eficaz es ubicarlo viendo hacia el norte y a medida que avance el día los rayos del sol se distribuirán muy bien en su superficie proporcionando mejor iluminación para las plantas. Tipo de suelo. Se deben elegir suelos con buen drenaje y de alta calidad aunque con los sistemas modernos de fértil-riego es posible utilizar suelos pobres con buen drenaje o sustratos artificiales. Por último el clima que se maneja dentro del invernadero dependiendo de las necesidades de las plantas que vayamos a cultivar. Hasta ahora hemos estado tratando el concepto común de lo que es un invernadero pero es tiempo de incluir un nuevo concepto, “INVERNADERO INTELIGENTE.”

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INVERNADERO INTELIGENTE Cuando nos referimos a un invernadero nos imaginamos una gran cubierta transparente con muchas plantas creciendo en su interior, vemos jardineros podando y regando flores y arbustos llenos de colores y texturas, todo esto con el fin para que su crecimiento y estancia sean los adecuados. Este concepto de invernadero con el paso del tiempo y los adelantos tecnológicos cada vez más sorprendentes está quedando solo en un paradigma. ¿Es acaso que los invernaderos como los conocemos están desapareciendo? La respuesta no radica en que estos sistemas desaparezcan, la respuesta se centra en que estamos en medio de una revolución tecnológica donde se forman nuevos aspectos que van desde la vida cotidiana hasta la automatización de complejos sistemas manufactureros.

REVOLUCION DE LA TECNOLOGIA Son muchas las ventajas que nos ofrece la comunicación constante con el invernadero, como la mejora en la productividad, mejorar las condiciones de trabajo del personal, simplificar el mantenimiento de dichos sistemas, Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento y se mejora la seguridad de las instalaciones. Existe otro rubro muy importante que debemos tratar sobre estas tecnologías, el cual es que a pesar que nos traen bastantes beneficios también nos han perjudicado en cierta forma. Ahora vivimos en un mundo distinto al de hace 60 años donde la calidad del aire ya no es óptima, donde constantemente hay cambios de temperatura más hostiles, esto es porque hemos dejado a un lado una visión más limpia, más amigable con nuestro medio. Es por eso que la idea de crear un sistema que genere un ambiente adecuado trabaja con una tecnología que no lastima nuestro ecosistema, para generar una convivencia sana con nuestro planeta, incorporando sistemas de energía renovable como lo es la luz solar haciendo uso de paneles solares que dotaran de energía en todo momento al invernadero inteligente. Nosotros hemos aprovechado estas nuevas tecnologías y tomando en cuenta las ventajas ofrecidas por estas aplicamos el concepto de inteligencia a la comunicación de un invernadero, con el objetivo de que el usuario sea capaz de entender, asimilar, monitorear y manejar información en favor de obtener mejoras en la calidad, es decir que al aplicar un sistema de monitoreo en un invernadero obtendremos un máximo provecho de los recursos que este puede dar. Estos son ejemplos de las ventajas que tenemos al aplicar el sistema comunicación:

• Mejora en la producción de las especies sembradas. • Mejora en la calidad de los productos. • Creamos nuevos puestos de trabajo. • Monitoreo exhaustivo, práctico y más preciso de comportamiento de las especies

que habitan el invernadero y las condiciones que se encuentra el invernadero.

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SENSORES Un sensor es un dispositivo que convierte una variable física que se desea medir en una señal eléctrica que contiene la información correspondiente a la variable que se detecta. Para ello el sensor suele ir acoplado a un circuito que convierte la señal de éste a valores adecuados para que dicha señal se pueda capturar. Como etapa intermedia se debe realizar la calibración o ajuste de la medida del sensor, para así controlar la sensibilidad con que va poder detectar la señal que mandara al circuito. Finalmente, se procede a la etapa de adquisición, para su procesamiento, registro o presentación. Los sensores cuentan con ciertas características que hay que tomar en cuenta: Resolución: es la mínima variación, dentro del rango de medida, que es apreciada por el sensor como un cambio de su salida. Precisión: es la tolerancia de la medida, con lo que define los límites del error, garantizando que la medida se encontrará con toda seguridad en el rango definido. Repetitividad: es el grado de precisión en la repetición de una medida que se realiza de forma consecutiva y bajo las mismas condiciones, incluida la dirección de variación del estímulo de entrada. Sensibilidad: indica la variación que experimenta la medición con la variación de la variable medida, o sea, es la razón de cambio de la salida ante los cambios en la entrada, y por tanto es mejor cuanto mayor sea. Exactitud: Diferencia entre la salida real y el valor teórico de dicha salida. Rango: valores de la magnitud de entrada comprendida entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de error aceptable. Deriva: variación de la salida esperada del sensor debido a cambios de temperatura, humedad, envejecimiento, etc. Además, todo dispositivo presenta unas condiciones ambientales de operación, fuera de las cuales no se garantiza su funcionamiento, y que en el caso de los sensores, aún con un funcionamiento correcto provocan desviaciones de las medidas que pueden resultar importantes.

DIFERENCIA ENTRE UN SENSOR Y UN TRANSDUCTOR Es importante mencionar que no es lo mismo decir sensor y transductor, lo cual es un error muy común, un transductor es todo aquel componente que está siempre en contacto directo con el ambiente con el que va a interactuar, mientras que sensor es la circuitería necesaria para que la señal que manda el transductor pueda ser convertida a una señal del tipo digital y pueda ser procesada por algún otro componente que adquiera esos datos digitales. Existen diferentes tipos de transductores los cuales solo mencionaremos a continuación:

• Transductores de presión: • Transductores resistivos: • Transductores magnéticos: • Transductores capacitivos:

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• Transductores piezoeléctricos: • Transductores mecánicos: • Transductores térmicos: • Transductores bimetálicos: • Transductores de ionización: • Transductores de filamento caliente: • Transductores de cátodo frio • Transductores de radiación

SENSOR DE HUMEDAD Con éste sensor se trata de utilizar la conductividad que muestra la tierra, la cual va a ser mayor mientras más sea la cantidad de agua presente en ella. Se introducen dos electrodos separados por cierta distancia, para luego ser sometidos a una diferencia de potencial constante. La corriente circulante será entonces proporcional a la cantidad de agua presente en la muestra. Cuándo no exista humedad en la tierra, el sensor mandara un 0 al servidor, enviando una señal de alerta por medio de Wifi al usuario para infórmale que debe activar el sistema de riego durante unos segundos para así mantener a las plantas hidratadas.

Fig. 1.1 funcionamiento de un sensor de humedad.

SENSOR DE TEMPERATURA Este dispositivo no es más que un circuito que se encarga de registrar la temperatura que hay en cierto ambiente con ayuda de un transductor conocido como LM35, cuya función es la de aumentar una corriente de salida cuando capta una temperatura elevada, este transductor tiene una forma de transistor ya que solo tiene 3 terminales, las cuales dos de ellas son para la alimentación (VCC y GND) y la tercera terminal es la que de una corriente de salida cuyo valor depende de la cantidad de temperatura que sea capaz de registrar. Al dar la corriente, el problema es que sale con un valor muy pequeño, y lo que se puede hacer es mandar ese valor a una etapa de amplificación, esto es con ayuda de amplificadores operacionales, los cuales son circuitos lineales, ya que solo tienen 5 terminales (no son número par como los circuitos normales).Este componente tiene varias formas de conectarse. Después de esto, para ver al aumento o descenso de

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temperatura se le pueden conectar unos diodos LED que a su vez tienen que estar conectados a otro amplificador por cada diodo LED y a unos divisores de voltaje, para que tenga un buen funcionamiento o en su defecto se puede enviar la información al servidor para que pueda procesarla y enviarla a la interface del usuario para que el active la ventilación del sistema.

Fig1.2. Transductor LM 35

SENSOR DE LUZ ULTRAVIOLETA El comportamiento de los rayos del sol es doble, por un lado es un haz y por otro lado es una onda. Para producir luz, el sol emite un haz de luz, que llega a la Tierra en línea recta. Las ondas producen calor, luz y color. El color puede medirse en un espectro total de luz, compuesto por tres elementos. Ondas de luz infrarroja: Espectro electromagnético: Este contiene todos los colores del arco iris. El color violeta se ve con la menor longitud de onda, y el rojo con la mayor longitud de onda, y en el medio todos los demás colores. Rayos ultravioleta: Hemos elegido las ondas de luz infrarroja para aplicarlas dentro de un sensor que sea capaz de percibirlas. La función de este sensor es ubicar un panel solar de acuerdo al posicionamiento del sol en las distintas etapas del día. Lo hace por medio de receptores y emisores, en este caso los receptores son fototransistores y el emisor son los rayos de luz infrarroja provenientes del sol. Los fototransistores se calibran para que se obtenga un mayor alcance de los rayos infrarrojos que llegan a estos.

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Fig.1.3. Funcionamiento de sensor de ondas infrarrojas

CONTROL

Para poder generar un monitoreo es necesario un sistemas de control. ¿Pero que es lo que entendemos por un sistema de control? Definimos a un sistema como el ordenamiento de componentes físicos unidos o relacionados de tal manera que mandan, dirigen o regulan al sistema. Cuatro conceptos sumamente útiles para comprender lo que es un sistema son: ENTRADA: Una entrada es un estimulo, la excitación o el mando aplicado a un sistema de control, Usualmente es usada para producir una respuesta especifica del sistema. SALIDA: Es la respuesta real que se obtiene de un sistema de control. Esta puede ser o no igual a la respuesta especificada por la entrada. Conociendo estos conceptos, ahora podemos conocer la clasificación de los sistemas de control. SISTEMAS DE LAZO ABIERTO: Es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida. SISTEMA DE LAZO CERRADO: Es aquel en el cual la acción de control depende de alguna manera de la salida. Tomando en cuenta la clasificación de los sistemas de control podemos aclarar que el INVERNADERO INTELIGENTE es un sistema de control de LAZO ABIERTO, ya que

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sus diversos subsistemas son controlados por el usuario, es decir que su salida no depende de la entrada. Un ejemplo es el sistema de riego el cual se activara cuando el usuario crea conveniente su uso, o cuando reciba la información que indique que la tierra esta seca y detendrá el riego cuando el usuario recíbala información de que la tierra ya no esta seca, su funcionamiento no es retroalimentado ya que la acción tomada no esta dependiendo de la salida. El sensor de espectro uv es un ejemplo mas de un subsistema que forma parte del sistema de control del invernadero inteligente, ya que este recolecta información a través de los sensores, dicha información es asimilada por el servidor y dependiendo de la salida que de el sensor es la acción tomada por el servidor, que enviara un mensaje de alerta al usuario si los factores de luminosidad no son los adecuados. Permitiéndole al usuario mover por N tiempo el servomotor que orienta el panel solar. Elementos a controlar por el sensor: Servomotor Este dispositivo tiene la capacidad de poder convertir energía eléctrica en mecánica, ya que gracias a un motor de corriente continua genera movimiento, pero esta no es su característica especial, si no que este dispositivo posee un circuito diminuto con un potenciómetro denominado circuito de control, el cual tiene la función de colocar la posición del eje del motor en un ángulo especifico, por esta razón, este dispositivo es muy usado en robots donde se requiere que el actuador sea preciso. Pero también hay que reconocer que el servomotor no puede dar una vuelta completa debido a que conforme va dando el giro, el potenciómetro llega a su límite de giro y aparte dentro de la sección de engranaje uno de los engranes tiene un obstáculo que no permite al motor girar los 360 grados. A continuación se muestran las partes de un servomotor:

Fig. 2.1. Servomotor

La caja de engranaje de los servomotores tienen la función de un motor reductor, ya que se necesita que este tipo de motores tenga la capacidad de poder soportar una cantidad de peso necesario para mover objetos muy diversos como brazos, piezas mecánicas pesadas, etc. También hay que especificar que los servomotores poseen tres cables identificables por los colores que revelan su función, por lo regular son: Rojo, Amarillo y Negro, uno de ellos representa la línea de voltaje, el cual alimenta el circuito interno, otro cable está destinado a GND del circuito, y una tercera línea es la que transporta los pulsos

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generados por un dispositivo denominado pwm. Estas siglas representan, modulación por ancho de pulso. Transductores De esta lista el transductor que usaremos será del tipo térmico y resistivo, ya que en el primero (térmico) está en el sensor de temperatura, el segundo (resistivo está incluido en la plataforma dela foto celda. El transductor térmico es el dispositivo que al detectar o estar en presencia de altas temperaturas la respuesta que tiene es la de variar la corriente que pasa al alimentar el circuito interno del transductor, el componente que utilizamos (lm35) tiene tres terminales las cuales dos de ellas están dispuestas para la alimentación del circuito, y la tercera es para la señal de salida en respuesta a la temperatura. Amplificadores operacionales Es un amplificador diferencial de muy alta ganancia con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los usos típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional (Amp. Op.) Contiene varias etapas de amplificadores diferenciales para alcanzar una muy alta ganancia de voltaje.

Fig. 2.2. Estructura interna de un Amplificador operacional

Características principales de un amplificador operacional Este dispositivo se creó alrededor de los años 40 y tiene muchas aplicaciones, y en especial porque tiene varias maneras de conectarse, a continuación se darán unos ejemplos de las configuraciones del amplificador operacional apoyándonos con un software llamado Multisim 11.0 el cual es un simulador de circuitos.

Fig. 2.2.1. Circuito amplificador básico Fig. 2.2.2. Circuito de multiplicador de ganancia

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Fig. 2.2.3. Circuito integrador Fig. 2.2.4. Circuito amplificador sumador

Fig. 2.2.5. Circuito integrador sumador Fig. 2.2.6. Circuito diferenciador Estas configuraciones son de una gran utilidad para circuitos donde se llegan a utilizar sensores, por ejemplo en nuestro proyecto utilizamos un comparador en el circuito de uno de los sensores (sensor de temperatura) y gracias a la señal de salida de este dispositivo, se pueden manejar otros dispositivos, obtener una mejor señal para enviar. La estructura planteada de nuestro sistema de monitoreo cuenta con un modulo de adquisición de datos que permite controlar a disposición del usuario diferentes actuadores que le permiten acomodar las variables de trabajo a su mejor conveniencia, esta también se puede configurar para tomar decisiones de manera autónoma.

Fig. 2.3. Diagrama de bloques del sistema de control

Este modulo proporciona también la opción de comunicar la planta con un lugar remoto, permitiendo al usuario estar informado de los procesos que se están llevando en su invernadero, para poder anticipar los posibles problemas que perjudiquen su cultivo.

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SISTEMA DE COMUNICACIÓN Las redes digitales las cuales son de gran utilidad para nuestro propósito, estas nos ofrecen grandes ventajas para el diseño de sistema de monitoreo. DEFINICION DE LAS REDES Una red digital es un conjunto de dispositivos que permiten la comunicación a distancia entre equipos. Normalmente se trata de transmitir datos, audio y video ya sea por medio de una red alámbrica o inalámbrica a través de diversos medios (Aire, cable de cobre, cable de fibra óptica, etc.). En nuestro caso se empleara una red del tipo inalámbrica y alámbrica, es decir se emplearan medios de transmisión que por medio de cables y medios de transmisión que no los necesiten.

Fig. 3.1. Medio de transmisión inalámbrica

Existen diversas formas de implementar una conexión sin cables, por ejemplo: INFRAROJA: Es por medio de luz infrarroja la cual manda información de una parte a otra sin necesidad de cables. La transmisión debe ser en línea recta. WI FI: Es un sistema de envió de datos que utiliza ondas de radio en lugar de cables. BLUETOOTH: Es una red inalámbrica de área personal que posibilita la transmisión de voz y datos entre distintos dispositivos mediante radiofrecuencia en la banda ISM de2.5 GHz Una sección del proyecto cuenta con la posibilidad de conectarse de forma alámbrica a un ordenador conectado en red inalámbrica ya sea a otros ordenadores o dispositivos móviles (teléfonos celulares) con la finalidad de que sea accionado a distancia. Esto posibilita la transmisión de datos por medio de un control remoto conectado en red a un ordenador que aloja el programa que acciona el sistema de control del invernadero.

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MODULO DE OPTOACOPLACION

El sistema que escogimos para comunicación es Wifi, cuando hablamos de WIFI nos referimos a una de las tecnologías de comunicación inalámbrica mediante ondas más utiliza hoy en día. WIFI, también llamada WLAN (Wireless Lan, red inalámbrica) o estándar IEEE 802.11. WIFI no es una abreviatura de Wireless Fidelity, simplemente es un nombre comercial. TARJETA RN-171 El módulo Wi-Fi es un módulo 802.11 b/g compacto de baja potencia. Con medidas 27 x 18 x 3,1 mm, este módulo ofrece la flexibilidad de ajustar la potencia de transmisión y por lo tanto el rango, es un módulo de red inalámbrica TCP/IP completamente independiente, es perfecto para aplicaciones móviles inalámbricas tales como el control de dispositivos y monitoreo de sensores. Gracias a las características integradas de administración de energía, aplicaciones tales como monitoreo de sensores remotos normalmente puede funcionar durante más de un año con un par de baterías AA. La RN-171 incorpora radio 802.11 b/g, procesador SPARC de 32 bits , la pila de protocolo TCP / IP, reloj de tiempo real, acelerador criptográfico, unidad de administración de energía, interfaz de sensor analógico y GPIO programable. El módulo está pre-cargado con un firmware de redes itinerantes que soporta una amplia gama de protocolos de red como DHCP, DNS, ARP, ICMP, HTML cliente, TCP y UDP. En la configuración más simple, el hardware sólo requiere de cuatro conexiones (PWR, TX, RX y GND) para crear una conexión de datos inalámbrica. Las entradas de sensor analógico se pueden utilizar para conectar una variedad de sensores, tales como temperatura, movimiento, aceleración, etc. Tiene la capacidad de entrar en modo de sueño profundo y escanear automáticamente para unirse a una red inalámbrica pre-establecida cuando despierta. En la configuración más sencilla el hardware solo requiere de cuatro conexiones (PWR, TX, RX, Y GND) para crear una conexión de datos inalámbrica. Además, las entradas analógicas del sensor se pueden utilizar para interconectar una variedad de sensores tales como temperatura, el movimiento de audio y aceleración.

Fig. 3.2. Imagen tarjeta RN-171

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APLICACIONES

• Monitoreo remoto • Sensores industriales y controles • Telemetría • Automatización del hogar

Diagrama de bloques de la tarjeta RN-171

Fig. 3.3. Diagrama de bloques tarjeta RN-171

Principales Características: •Bajo Consumo: 4uA sleep mode, 40mA RX, 180 mA TX ( at 10dBm) •Potencia de transmisión configurable: 0dBm to 10dBm •Rango de temperatura: -45C to +85C •Interfaces Seriales: UART and SPI (esclavo) •10 entradas/salidas digitales de propósito general •8 entradas analógicas para sensor •Reloj de tiempo real para modos: time-stamping, auto-sleep, and auto-wakeup •Acepta fuente de poder de 3.3V •Configuration over UART or wireless interface (via Telnet) using simple ASCII commands •Autenticación segura WiFi WEP-128, WPA-PSK , WPA2-AES •Aplicaciones construidas en DHCP, DNS, ARP, ICMP, TCP, UDP, HTML client

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PUERTOS DE LA TARJETA RN-171

Fig. 3.4. Distribución de puertos de la tarjeta RN-171

Podemos observar que en la tarjeta RN-171nos permite trabajar con un máximo de 8 sensores, los cuales pueden ser de diferentes aplicaciones. INTERFACE Para la interface hombre maquina se propone Labview como primera propuesta o Visual Basic la cual se definirá por la disponibilidad y capacidad de los sensores a utilizar. [A6]