SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y CONTROL REMOTO DE SENSORES INALÁMRICOS PARA VARIABLES CLIMÁTICAS DE UN INVERNADERO, A TRAVÉS DE LA WEB

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Sistema de supervisión y control remoto de sensores

inalámbricos para variables climáticas de un invernadero, a

través de la web

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

María Elena Díaz de Jesús

Francisco Javier López Muñoz

Pablo Montoya Gallardo

ASESORES:

Ing. Fernando Cruz Martínez

M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río

Dedicatorias

A

María Elena

, mi mamá:

Quien ha estado conmigo en todo momento, siempre impulsándome a seguir

adelante, depositando su entera confianza en cada reto que se me presenta,

siempre me brinda su cariño y comprensión, gracias por poner en mi la ilusión

de tus sueños.

A

Marcelino

, mi papá:

Siempre dándome los mejores consejos, ha sido la guía para llegar a este punto

de mi carrera, ha sido mi inspiración para formarme profesionalmente, de él he

aprendido el amor al trabajo y el respeto a los demás.

A Hugo, Kari y Oscar, mis hermanos:

Este logro está acompañado de cada uno de mis hermanos, siempre

apoyándome y motivando mi formación académica, su tenacidad y lucha para

lograr sus objetivos han hecho de ellos un gran ejemplo a seguir por mí.

A mi madre

Catalina Muñoz

:

Quien me ha apoyado a lo largo de mi vida, dándome y ofreciéndome hasta lo

imposible para así poder terminar cada vez con un ciclo escolar hasta finalizar

mi carrera por completo, y apoyo mutuo con acciones y palabras de aliento.

A mi padre

Gregorio López

:

Le doy las gracias por siempre brindarme su apoyo económico, intelectual,

motivacional y personal en todo momento, de la misma forma por hacer de lo

imposible, lo posible y lograr darme un estudio mas cada ciclo hasta concluir mi

carrera

A mi hermano Héctor López:

Quien siempre ha estado a mi lado ofreciéndome palabras y acciones de

motivación para así jamás vencerme y poder seguir en cada etapa de mi vida sin

rendirme y siempre mirando en alto por nuestro futuro.

Dedico esta obra a mi madre,

Luz María

:

Quien me ha acompañado desde siempre y ha dedicado sus fuerzas y esperanzas

en verme realizado profesionalmente.

A mi padre,

José Teodoro

:

Por darme la oportunidad de crecer y apoyarme a lo largo de mis estudios.

A mis hermanos Diana Isabel, Francisco y Daniel:

Por creer en mí, por darme valiosas enseñanzas y por estar ahí cuando más lo

necesite.

Solemnemente para ti:

Quien con tu tenacidad, perseverancia eh increíble visión de la vida, haz dado el

ejemplo y me has dejado ver que el potencial de uno mismo radica en las ganas

de vivir una vida mejor y compartir nuestra energía y entusiasmo con los demás,

haciendo obras que beneficien al planeta y a las personas que más lo necesitan.

Agradecimientos

Al Politécnico:

La casa de estudios que nos brindó los mejores conocimientos para formarnos

un futuro con las mejores oportunidades, gracias al IPN pudimos hacer posible

el logro de nuestras metas y objetivos profesionales.

A los profesores Fernando y Pedro Gustavo:

Quienes nos guiaron con gran profesionalismo y nos proporcionaron su

sabiduría para ver realizado con éxito este proyecto; agradecemos también su

paciencia y entero compromiso para mostrarnos el sendero a seguir en el

ámbito profesional y desarrollarnos como futuros ingenieros.

Con toda nuestra gratitud, cariño y buenos deseos:

A los tres compañeros que hicimos posible este proyecto, siempre apoyándonos

y compartiendo el gran compromiso y satisfacción de alcanzar los objetivos que

nos planteamos para vernos realizados en esta importante etapa de nuestras

vidas.

control remoto de sensores

inalámbricos para variables

climáticas de un invernadero, a

O B J E T I V O

Índice

INTRODUCCIÓN

.. ..

..

1. Capítulo 1 Tipos de invernaderos

1.1. Antecedentes ... ... .. .. .10

1.2. Arquetipos de invernaderos ... .... .12 1.3. Invernaderos utilizados en México . ... .20

1.4. Selección del invernadero 28

1.5. Cultivo empleado . .. 31

2. Capítulo 2 Características generales del invernadero empleado

2.1. Características del invernadero Diente de Sierra .. .. .. .. .35 2.2. Principales variables ... ... ...38

2.2.1. Temperatura . ... .. ..39

2.2.2. Iluminación . .. 44

2.2.3. Riego .45

3. Capítulo 3 Diseño del sistema

3.1. Estructura del sistema .. .. .. ...47 3.2. Red de sensores inalámbricos . . . ....48

3.3. Acceso remoto . ... . ...54

3.4. Sistema de control .. .. ... .. . . .. ..56 3.4.1. Estrategia de control .. . . ... . .. .. . .... 58

3.4.2. Control remoto .60

3.5. Control sobre las variables . ...61 3.5.1. Control de la temperatura .. ... ...61 3.5.2. Control de la iluminación ... . .... ...63 3.5.3. Control del humedad/riego .. ... ... .. ... ..64

3.8. Implementación Wifi . .. .. .. ..68 3.9. Comunicación entre el microcontrolador y la red inalámbrica ... 70 3.9.1. Configuración Maestro y esclavo ... ..89

3.9.2. Página Web ... .. ... . 98

3.9.3. Estructura de la página .... ..99

4. Capítulo 4 Pruebas y puesta en marcha

4.1. Sensor de temperatura LM35DT y Arduino ... .104 4.2. Conexión del sensor de Humedad y Arduino .. .. .107 4.3. Sensor de Luminosidad con Arduino .. .109 4.4. Esquema de armado del sistema .. ...111

5. Capítulo 5 Conclusiones

ANEXOS

Anexo I

Anexo II

Anexo III

Anexo IV

Anexo V

Anexo VI

INTRODUCCIÓN

La producción de alimentos es fundamental en el campo mexicano, para ofrecer a la población productos con alta calidad y con la eficiencia requerida. Lo anterior ofrece una oportunidad de negocios a los campesinos y empresarios agrícolas del área metropolitana, interesados en utilizar los nuevos sistemas de producción bajo ambiente controlado.

Actualmente se cuentan con diferentes sistemas de control y supervisión, estos métodos de producción permiten manipular aquellas variables climáticas del lugar donde se reproducen vegetales, aportando la temperatura, humedad, luminosidad y riego, necesarios para su crecimiento y maduración en cualquier época del año.

El presente proyecto, controla y supervisa las variables climáticas, integra herramientas de las nuevas tecnologías inalámbricas para que sea posible que el ambiente a controlar sea vigilado desde un lugar distinto al de la ubicación del terreno de producción, a través de una página web.

A través de este mecanismo se obtendrá información de un ambiente en particular y en base a estos datos, saber que acción realizar para mantener el clima adecuado para la producción. Los dispositivos llamados sensores, serán el medio para obtener informes de lo que está pasando en un entorno específico, al detectar temperatura, humedad, luminosidad o algún otro parámetro común dependiendo la actividad que deseemos controlar, responden de manera inmediata, de acuerdo a su tipo de sensibilidad.

seguridad humana, porque permite medir y manipular datos de aquellos lugares peligrosos, inaccesibles o de difícil medición.

Los datos obtenidos a través de los sensores, llegan hasta el usuario, en cualquier lugar donde se encuentre, con la ventaja de poder controlar aquellos aparatos que permiten modificar el clima del lugar, como puede ser un ventilador, calefactor e iluminación y supervisar diversas actividades desde una computadora o teléfono celular con acceso a internet, sin necesidad de su presencia física para realizar los ajustes necesarios en caso de requerirse.

Por lo tanto, en cada capítulo del presente proyecto se especificará detalle a detalle todos los aspectos que conllevan a la elaboración de un invernadero conforme a las características deseadas; modos de implementación y comparaciones del cuál es el conveniente para el usuario. Al igual se hace mención de los tipos de sensores que se emplearan para dicho control donde se demuestra todas las características del control de variables climatológicas.

En el primer capítulo veremos el panorama que predomina en México con respecto al uso de invernaderos; veremos sus clasificaciones y se analizarán sus ventajas y desventajas para elegir el más adecuado para el proyecto.

En el segundo capítulo se analizarán las variables climatológicas que deben ser observadas y controladas dentro del invernadero.

En el tercer capítulo se enfatizará sobre el diseño del sistema para ser implementado en el invernadero y ser controlado bajo las herramientas web y tecnologías inalámbricas

CAPITULO 1 TIPOS DE INVERNADERO

1.1 Antecedentes

En los cultivos tradicionales de vegetales para consumo humano, se han observado diversos factores que limitan la producción y eficiencia de las cosechas; tal es el caso del clima, ya que de éste dependen los ciclos agrícolas y son estimados en temporadas de producción que abarcan unos cuantos meses, tanto la calidad como la cantidad de los productos obtenidos, puede variar de una temporada a otra.

Existen otros factores como la contaminación ambiental, el tiempo y la mano de obra invertidos en el cuidado del cultivo que afectan principalmente a los ingresos del agricultor o empresario. Esto es debido a la exposición de los cultivos a la intemperie y al mantenimiento requerido así como el personal necesario por cada fracción de cultivo dentro del área total de éste.

En la actualidad, se emplean sistemas de ambiente controlado que a pesar de su instalación y administración para cultivos vegetales en diversas regiones a lo largo del país, no cuentan con un control eficiente para generar las condiciones climáticas adecuadas para dichos cultivos; se atribuye a esta falta de control, la supervisión empírica de las variables climáticas (que suele ser por medio de la experiencia y la observación del clima, sin ayuda de instrumentos de medición ambiental), lo cual propicia una supervisión errónea de las variables climáticas, por lo que se pierde eficiencia y producción.

administrarlos (como el caso de los sistemas de control empírico que requieren la constante presencia de quien los administra y monitorea), han enfrentado problemas para llegar a una producción estable y sustanciosa en cualquier temporada del año y por consiguiente, las ganancias no llegan a ser la esperadas.

Todo ello radica en la falta de sistemas controlados y supervisados de manera sencilla y remota afectando a los grandes productores que utilizan invernaderos y que tienden a realizar grandes gastos para conseguir equipo y personal especializados. La principal causa de esto radica en los altos costos de las herramientas y sistemas automatizados especializados que en general, suelen venderse de forma separada en cuanto a dispositivos de control y dispositivos de sensado, presentando adicionalmente, problemas ocasionales para acoplar al sistema los dispositivos de diferentes fabricantes.

Introducción hacia un invernadero

1.2 Arquetipos de invernaderos

Puede intentarse una clasificación según diferentes criterios (por ej. materiales para la construcción, tipo de material de cobertura característica, características de la techumbre, etc.) no obstante, se prefiere enumerar los más importantes obviando algunas características para su clasificación. Dentro de los tipos de invernaderos más comunes en el mundo se encuentran:

1. Invernadero-Túnel

2. Invernadero Capilla (a dos aguas) 3. Invernaderos en Diente de Sierra 4. Invernadero Capilla Modificado 5. Invernadero con Techumbre Curva

1. Invernadero-túnel

Es difícil establecer una línea divisoria entre lo que es un invernadero-túnel y un macrotúnel, por no existir un parámetro definido. No obstante, se ha optado como medida de clasificación el volumen de aire encerrado por cada metro cuadrado de suelo. En la Figura 1.1 y 1.2 se observa el invernadero túnel.

Ventajas y Desventajas.

 Alta resistencia a los vientos y fácil instalación (recomendable para productores

que se inician en el cultivo protegido).

 Relativamente pequeño volumen de aire retenido (escasa inercia térmica)

pudiendo ocurrir el fenómeno de inversión térmica.

 Alta transmitancia de la luz solar. Solamente recomendado en cultivos de bajo

a mediano porte (lechuga, flores, frutilla, etc.).

 Apto tanto para materiales de cobertura flexibles como rígidos.

2. Invernaderos con techumbre curva

Este tipo de invernaderos, tienen su origen en los invernaderos-túneles. Por lo común, son de tipo metálicos o bien con techumbres metálicas y postes de madera. En la figura 1.3 se muestra el invernadero con techumbre curva.

Dentro de este tipo de invernaderos, pueden encontrarse diferentes alternativas según la forma que adopta el techo (circulares, semielípticos (medio punto), ojivales, etc.). Existe una alternativa de muy bajo costo (más próxima al tipo semielíptico) construida con postes de madera y techumbre de madera arqueada o caña. Se trata de estructuras muy endebles y de muy baja altura, tornándose en una importante limitante para el clima.

Ventajas y Desventajas

 Es el de más alta transmitancia a la luz solar.

 Tienen la misma limitante que los de tipo capilla, cuando deben acoplarse

en batería (de no poseer algún sistema de ventilación cenital).

 Buen volumen interior de aire (alta inercia térmica).  Buen comportamiento (resistencia) a los vientos.

 Espacio interior totalmente libre (facilidad de desplazamientos, laboreo

mecanizado, conducción de cultivos, etc.)

 Construcción de mediana a baja complejidad (debido a la disponibilidad de

Figura 1.3 Invernadero Techumbre Curva

2. Invernadero capilla (a dos aguas)

Ventajas y Desventajas

 Construcción de mediana a baja complejidad.

 Problemas de ventilación con invernaderos en baterías.

 Utilización de materiales con bajo costo, según la zona (postes y maderas de

eucaliptus, pinos, etc.).

 Apto tanto para materiales de cobertura flexibles como rígidos.

 Mayor número de elementos que disminuyen la transmitancia (mayor

sombreo).

 Elementos de soportes internos que dificultan los desplazamientos y el

emplazamiento de cultivos.

3. Invernaderos en dientes de sierra

Una variación de los invernaderos tipo capilla, que se comenzó a utilizar en zonas con muy baja precipitación y altos niveles de radiación, fueron los invernaderos a una vertiente. Estos invernaderos, cuentan con una techumbre única inclinada en ángulos que variaban entre 5° y 15° (orientados en sentido este-oeste y con presentación del techo hacia la posición del sol - sur para el hemisferio norte, ya que México se encuentra en el hemisferio norte).

El acoplamiento lateral de este tipo de invernaderos dio origen a los conocidos como dientes de sierra . La necesidad de evacuar el agua de precipitación, determinó una inclinación en las zonas de recogida desde la mitad hacia ambos extremos. En las figuras 1.6 y 1.7 se muestran las formas del invernadero Diente de Sierra.

Ventajas y Desventajas

 Construcción de mediana complejidad. Sombreo mucho mayor que capilla

(debido a mayor número de elementos estructurales de sostén).

 Excelente ventilación (lo que no plantea las limitantes del tipo capilla, en cuanto

a la conformación de baterías).

 Menor volumen de aire encerrado (para igual altura de cenit) que el tipo capilla.  Empleo de materiales de bajo costo (según zonas).

Figura 1.7 Estructura de invernadero Diente de Sierra

4. Invernaderos tipo capilla modificado

Figura 1.8 Invernadero Capilla Modificado

Ventajas y Desventajas

 Construcción de mediana complejidad. Sombreo mayor que capilla (debido a

mayor número de elementos estructurales de sostén) pero menor que diente de sierra.

 Excelente ventilación (al igual que el diente de sierra), siendo muy adecuados

para la conformación de baterías.

 A igual altura cenital, tiene menor volumen encerrado que por ejemplos

invernaderos curvos.

 Elementos de soportes internos que dificultan los desplazamientos y el

1.3

Invernaderos utilizados en México

En México con estudios hechos por la Sagarpa y todos los análisis de invernaderos realizados por la AMCI (Asociación Mexicana de Constructores de Invernaderos) encontramos invernaderos dependiendo del clima para el cual serán implementados. En México existen invernaderos parecidos a los ya mencionados pero con algunas variaciones en forma y estructura, para cubrir las variaciones en clima del lugar.

Invernadero Macro Túnel o Bioespacio

Características físicas:

 Estructura ligera de Acero Galvanizado (en ocasiones, acero negro en las

bases) con cubierta plástica.

 No tiene paredes frontales ni laterales.  Estructura Móvil, no lleva cimentación.

 Para zonas templadas y vientos máximos de 25 a 55 km/hr. La figura 1.10

muestra este tipo de invernadero.

Principales tipos de cultivo:

Berries: Fresa, zarzamora, frambuesa y arándano; flores, nopales y viverismo.

Observaciones:

 Se recomienda utilizar un sistema de cultivo Hidropónico

 El precio variara dependiendo del ancho de la nave, la distancia que exista

entre las columnas y la altura de las mimas.

Invernadero Casa Sombra o Bioespacio

Características físicas:

 Estructura metálica ligera.

 Mallas antiáfidos en cubiertas y en perímetro.

 Sistema de riego localizado con inyección de fertilizante manual.

 Dependiendo de la región del país resiste vientos de 80 a 120 km/hr. En la

Principales tipos de Cultivo:

Hortalizas: Tomates, pepinos, pimientos, berenjenas, melones, lechugas, flores, follajes y viverismo.

Observaciones:

 Se recomienda utilizar un sistema de cultivo Hidropónico  El precio varía por los siguientes factores:

1.- Distancia ente columnas y altura de las mismas 2.- Tipo de malla a utilizar (perímetro, techos)

3.- Tamaño de la nave (más larga, mayor precio, ya que el perímetro tiene más acero).

Invernadero para climas tropicales

Características físicas:

 Estructura de invernadero con ventilación cenital fija.  Ventilación perimetral con mallas.

 Cubiertas en techumbres con polietileno y ventanas con malla antiáfidos.  Sistema de riego localizado con inyección de fertilizante manual.

 Proyectos llave en mano.

 Dependiendo de la región del país resiste vientos de 80 a 120 km/hr. La figura

Figura 1.12 Invernadero para climas tropicales

Principales tipos de Cultivo:

Hortalizas: Tomates, pepinos, pimientos, berenjenas, melones, lechugas, flores, follajes y viverismo.

Observaciones:

 Se recomienda utilizar un sistema de cultivo Hidropónico  El precio varía por los siguientes factores:

1.- Distancia ente columnas y altura de las mismas 2.- Tipo de malla a utilizar (perímetro, techos)

3.- Tamaño de la nave (más larga, mayor precio, ya que el perímetro tiene más acero).

Invernadero para clima templado

Características físicas:

 Estructura de invernadero con ventila cenital fija.  Ventana cenital manual.

 Ventana perimetral manual.

 Sistema de riego localizado con inyección de fertilizante manual.  Para climas templados y fríos.

 Dependiendo de la región del país resiste vientos de 80 a 120 km/hr. La figura

1.13 muestra en invernadero para clima templado.

Principales tipos de Cultivo:

Hortalizas: Tomates, pepinos, pimientos, berenjenas, melones, lechugas, flores, follajes y viverismo.

Observaciones:

 Se recomienda utilizar un sistema de cultivo Hidropónico  El precio varía por los siguientes factores:

1.- Distancia ente columnas y altura de las mismas. 2.- Tipo de malla a utilizar en el perímetro.

3.- Tipo de polietilenos a utilizar (techos, cortinas cenitales y laterales).

4.- Tamaño de la nave (más larga, mayor costo ya que el perímetro tiene más acero). La Figura 1.14 muestra invernadero para clima templado.

Invernadero para cualquier clima

Características físicas:

 Estructura de invernadero con ventana cenital fija.  Ventana cenital motorizada.

 Ventanas perimetrales motorizadas.

 Sistema de riego localizado con inyección de fertilizante automático.

 Dependiendo de la región del país resiste vientos de 100 a 120 km/hr. En la

figura 1.15 se muestra la estructura de este tipo de invernadero.

Principales tipos de Cultivo:

Tomates, pepinos, pimientos, berenjenas, melones, lechugas, flores, follajes y viverismo.

Observaciones:

 Se recomienda utilizar un sistema de cultivo Hidropónico  El precio varía por los siguientes factores:

1.- Distancia ente columnas y altura de las mismas. 2.- Tipo de malla a utilizar en el perímetro.

3.- Tipo de polietilenos a utilizar (techos, cortinas cenitales y laterales).

4.- Tamaño de la nave (más larga, mayor costo ya que el perímetro tiene más acero. En la figura 1.16 se muestra este tipo de invernadero.

1.4 Selección del invernadero

Dentro de la tabla 1.1 se indican algunas comparaciones entre los tipos de invernaderos que existen y los mas importantes.

 Invernadero túnel.

 Invernadero capilla (a dos aguas).  Invernaderos en diente de sierra.

 Invernadero capilla modificado (tipo chileno).

 Invernadero con techumbre curva.

Tipo de

invernadero Sistema decultivo Tipos decultivo Ventajas Desventajas Fiabilidad

Túnel Tradicional -Lechuga -Flores -Frutas -Tomates de bajo porte -Chile -Alta resistencia -Fácil instalación -Materiales flexibles y rígidos

-Fácil mantenimiento

-Relativamente pequeño

-Cultivos de bajo a mediano porte

-Volumen de aire

-Ventilación Rentable Capilla Hidropónico -Plántulas -Hortalizas -Verduras -Construcción de mediana a baja

complejidad

-Materiales de bajo costo

-Mayor sombreo

-Materiales flexibles y rígidos

-Problemas de ventilación

-Soportes internos

-Cultivos de bajo a mediano porte

-Mayor sombreo

Diente de

sierra tradicional ySistema hidropónico

-Todo tipo de hortalizas

-Dependerá del clima de la

región

- x lo que se requiera dependiendo

del tipo de sistema

-Estructura fuerte y de alta calidad

-Fácil instalación -Posibilidad de extraer agua -Mediana complejidad -Sombreo mucho mayor -Excelente ventilación -Menor volumen de aire encerrado

-Mayor sombreo dependiendo del cultivo Excelente Capilla modificado Hidropónico

- x lo que se requiera dependiendo

del tipo de sistema

-Construcción de mediana complejidad

-Buena ventilación

-Materiales de bajo costo

-Sombreo mayor

-Elementos de soportes internos

que dificultan los desplazamientos y el emplazamiento de cultivos. -Menor volumen encerrado Rentable Techumbre curva Hidropónico

- x lo que se requiera dependiendo

del tipo de sistema

-Transmitancia a la luz solar

-Buen volumen interior de aire

-Buena resistencia

-Construcción de mediana a baja

complejidad

-Todas las limitantes del tipo

capilla

-Dificultades para ventilación

-No supera los 25-30m

Rentable

La tabla 1.1 muestra la comparación entre diferentes tipos de invernaderos existentes; solo se hace en referencia a 5 invernaderos ya que son los más importantes dentro del mercado y los más utilizados.

Dentro de la tabla 1.1 se observa el sistema de cultivo que se puede emplear en los distintos invernaderos como lo es el tradicional o el hidropónico, muestra el tipo de cultivo que se puede implementar en cada invernadero, ya sean plantas, vegetales o frutas.

Es de gran importancia mencionar que las ventajas y desventajas de los mismos, serán esenciales para la selección del invernadero a implementar.

Para el sistema de control y supervisión que se desarrolla en éste proyecto se requiere que la estructura física del invernadero sea de fácil manipulación y flexible, para que nos permita adaptar la red de sensores, de manera que en conjunto con el sistema se obtenga un cultivo de gran calidad.

Se ha elegido implementar el sistema dentro del invernadero tipo Diente de Sierra , debido a su poca complejidad física, y a su diseño, lo cual ayudará a que se adapte de manera favorable a los mecanismos de control como en el caso de ventilación y sombreo. Asimismo ofrece la ventaja de acoplarse a diferentes climas según la región en que se implementará, y al tipo de cultivo a utilizar.

1.5 Cultivo empleado

Cultivo hidropónico en invernaderos

No se necesita hacer más gastos de los necesarios con el H2O o con los fertilizantes. Nos garantiza una irrigación en el total de la zona radicular. Hará que nos olvidemos de los inconvenientes de transmisión o aparición de enfermedades producidas a causa de los patógenos del suelo, ya que se reducirán considerablemente. Y por última de sus características, nos ofrece un gran aumento de los rendimientos de la producción obtenida, y nos ofrece un producto de cultivo de una increíble calidad mejorada.

Para un cultivo hidropónico en invernadero necesitamos de material para ser usado como sustrato. Pero no cualquier tipo de material puede ser utilizado como sustrato, ya que este debe tener ciertas características necesarias; principalmente, un material para que llegue a ser utilizado como sustrato, debe proceder del medio natural inerte, ya que esto nos va a proporcionar un mejor control de la nutrición, que es muy difícil y complicado de lograr en el cuelo de cultivos ya que puede tener gran cantidad de reacciones. En la figura 1.18 se observa el cultivo hidropónico.

Figura 1.18 Vista de cultivo hidropónico

El cultivo hidropónico en invernadero cada vez es más recomendado y utilizado, no solo con fines de producción masiva y ventas a los distintos mercados, sino que también para el consumo familiar elaborando cultivos pequeños dentro de los hogares en donde existe el espacio suficiente para algunos contenedores. Obteniéndose de esta forma múltiples beneficios; la calidad y frescura en los alimentos preparados con éstos productos de invernadero, garantiza su alta calidad y nivel nutricional sin la necesidad de aumentar los costos y/o gastos por ellos.

C

APÍTULO

2

|

Características generales

del invernadero

CAPITULO 2 CARACTERISTICAS DEL INVERNADERO

EMPLEADO

Dentro del análisis de los invernaderos y evaluando los costos y los beneficios, se decidió seleccionar el invernadero tipo diente de sierra debido a que puede ser fácilmente armado, su geometría es simple, permitiendo implementar sistemas semiautónomos como control de ventilas, iluminación y humedad, además de que puede montarse en un mínimo espacio con las modificaciones pertinentes; cabe mencionar que una toma de agua o contenedor con capacidad suficiente para el riego de los cultivos, debe estar cerca así como contactos o tomas de corriente eléctrica y posiblemente, estar cerca de un modem con acceso a internet. Las medidas del invernadero Diente de Sierra para una buena producción anual de cultivos se muestra en la figura 2.1.

2.1 Características del invernadero Diente de Sierra

 Está formado por la unión de varias naves a una agua .

 La ventilación de estos invernaderos es excelente, ya que a la ventilación

normal se une cenital que tiene por los lados de los dientes de sierra.

 En este invernadero hay que tener previsto la evacuación de las aguas de

 Invernadero ideal para climas tropicales, cálidos y húmedos, con una

excelente tasa de renovación de aire, por la gran ventila cenital.

 Su estructura está fabricada con columnas de PTR cuadrado de 2.5 x 2.5 pulg.

En calibre 14 galvanizado y arcos de PTR cuadrado de 1.75 x 1.75 pulg. y refuerzos estructurales del mismo calibre 14 (2.0 mm).

 La fijación de los polietilenos y mallas antiáfidos, son instalados con perfil

sujetador de lámina galvanizada y resortes zig-zag galvanizado.

 Tiene una excelente relación de área de ventilas/área cubierta.

 Este modelo, permite una fácil automatización de su sistema de cortinas.  Gran capacidad de ventilación natural, esto, por sus altas ventilas laterales y

amplias ventilas cenitales.

Este tipo de invernaderodiente de sierra está diseñado según la norma mexicana; puede soportar vientos de hasta 130 km/h. En la figura 2.2 y 2.3 se observa vistas del invernadero diente de sierra.

Figura 2.3 Invernaderos Diente de Sierra

Otras características:

Los plásticos de cubierta son en función de las condiciones del clima local y las necesidades del cultivo.

Normalmente se emplean resumideros al final de cada línea de canal para la captación del agua, para su posterior uso en labores de riego u otros usos que le quiera dar el productor.

Por otra parte existen implementaciones del invernadero diente de sierra, con diferentes características.

El aislamiento del terreno le da una buena resistencia a las inclemencias meteorológicas, que pueden ser muy adversas a estas altitudes.

El diseño del invernadero diente de sierra, así como todas sus variantes, como pueden ser: tamaño, altura, ancho, materiales para su construcción, tipo de cultivo, etc.; dependerán mucho del cultivador y de sus necesidades, ya que puede ser utilizado en diferentes climas y para casi todo tipo de cultivo ya que es un invernadero muy completo y eficiente.

Este invernadero en particular cumple con el objetivo de reproducir cualquier cultivo, ya que su estructura cumple con las condiciones climáticas más adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas en su interior de tal manera que es ideal para todo clima, ya sea tropical, cálido o húmedo.

Puede soportar climas con altas temperaturas y alta humedad relativa, así como bajas temperaturas, todo esto dependerá, como se ha informado, del lugar y cultivo en donde se quiera aplicar.

Es ideal para la implementación de este proyecto ya que cuenta con una excelente tasa de renovación de aire por su ventila cenital y en otros casos, su ventilación perimetral.

2.2. Principales varibles

Los cultivos en sus diferentes etapas de desarrollo están condicionados por cuatro factores ambientales: CO2 y oxígeno, luz, humedad relativa y temperatura.

El invernadero debe conservar estas variables dentro de rangos para mantener el metabolismo de los vegetales.

2.2.1 Temperatura

Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del ambiente dentro de un invernadero, ya que es el que más influye en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Normalmente la temperatura óptima para las plantas se encuentra entre los 10° y 20º C.

Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y limitaciones de la especie cultivada. Así mismo se deben aclarar los siguientes conceptos en las diferentes temperaturas, que indican los valores objetivos a tener en cuenta para el buen funcionamiento del cultivo y sus limitaciones.

 Temperatura mínima letal. Aquella por debajo de la cual se producen daños

en la planta.

 Temperaturas máximas y mínimas biológicas. Indican valores, por encima o

por debajo respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase vegetativa, como floración, fructificación, etc.

 Temperaturas nocturnas y diurnas. Indican los valores aconsejados para un

correcto desarrollo de la planta.

Temperatura de germinación

Hortaliza Mínima Máxima Puerro 10 25 Calabaza 10 45 Col-Repollo 8 35 Arveja 0 30 Haba 4 30 Perejil 10 22 Poroto 10 37 Lenteja 5 35 Melón 13 40 Pepino 16 44 Remolacha 4 30 Zanahoria 4 30 Espinaca 10 25 Lechuga 6 22 Tomate 15 30 Tabla 2.1 Tabla de temperauras de germinaciòn

En la tabla 2.2 se muestra la relacion de las distintas temperaturas para algunos cultivos hortícolas; éstas temperaturas deben ser tomadas muy en cuenta, ya que de éstas depende el monitoreo del invernadero, es decir, con estas temperaturas, el administrador, productor o persona encargada de su propio invernadero, podrá tomar desiciones que conlleven a la puesta en marcha de los actuadores para regular la temperatura dentro del invernadero para que los cultivos se desarrollen de una manera óptima y eficiente. Por ejemplo, el pepino que es el cultivo que en este proyecto fue sometido a prueva, se observa que la temperatura óptima es de 18°C por lo que sólo se requiere consultar 3 veces la página web del sistema (en la mañana antes de medio día, en la tarde y despues de haverse ocultado el sol) para que se consolide alguna acción de control para mantener la temperatura en las proximidades de lo óptimo.

Exigencias de temperatura para distintas especies

TOMATE PIMIENTO BERENJENA PEPINO MELÓN SANDÍA

Tª mínima letal 0-2 (-1) 0 (-1) 0-1 0

Tª mínima biológica 10-12 10-12 10-12 10-12 13-15 11-13

Tª óptima 13-16 16-18 17-22 18-18 18-21 17-20

Tª máxima biológica 21-27 23-27 22-27 20-25 25-30 23-28

Tª máxima letal 33-38 33-35 43-53 31-35 33-37 33-37

Tabla de condiciones climáticas para el cultivo de diferentes especias.

En la tabla 2.3 se muestra el nivel térmico minimo y óptimo del ambiente, así como los niveles óptimos de CO2, humedad relativa (HR) y temperatura del suelo para el cultivo de diferentes hortalizas y flores.

Tabla 2.3 Tabla de condiciones climaticas para espesias

La temperatura en el interior del invernadero, va a estar en función de la radiación solar, comprendida en una banda entre 200 y 4000 mm a partir del techo, la misión principal del invernadero será la de acumular calor durante las épocas invernales.

Como consecuencia de esta absorción, éstos emiten radiación de longitud más larga que tras pasar por el obstáculo que representa la cubierta, se emite radiación hacia el exterior y hacia el interior, calentando el invernadero.

El calor se transmite en el interior del invernadero por irradiación, conducción, infiltración y por convección, tanto calentando como enfriando. La conducción es producida por el movimiento de calor a través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección tiene lugar por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del invernadero. La infiltración se debe al intercambio de calor del interior del invernadero y el aire frío del exterior a través de las juntas de la estructura. La radiación se produce por el movimiento del calor a través del espacio transparente. La tabla 2.4 muestra la temperatura como energía promedio diurna y nocturna.

Tablas de temperatura para cultivos

CLASIFICACION RANGOS DE TEMPERATURAS (ºC)

Extremadamente cálida >32

Cálido [25-32]

Moderado [20-25]

Templado [17-20]

Frescas [12-17]

Frías [5-12]

Extremadamente frio <5

Tabla 2.4 Tabla de temperatura como energia promedio diurna y nocturna

CLASIFICACIÓN TERMICA RANGOS DE ANOMALIAS (ºC)

Cálido >3,0

Ligeramente cálida [1,0 a 3,0]

Normal o habitual [-1,0 a 1,0]

Ligeramente frio [-3,0 a -1,0]

Frio <3,0

Tabla 2.5 Tabla de temperatura como variacion o anomalias

CULTIVO

TEMPERATURA CRITICA DEL CULTIVO TEMPERATURA OPTIMA DEL CULTIVO Temperatura Critica

Maxima ºC

Temperatura Critica Minima ºC

Temperatura Optima Maxima ºC

Temperatura Optima Minima ºC

Algodón 35 16 30 20

Arroz 35 10 30 22

Mango 35 10 30 25

Soya 35 10 29 21

Palma aceitera 33 22 29 24

Algaborroo 32 25

Maiz amarillo 35 10 25 21

Caña de azucar 35 15 26 22

Mandarina 24 20

Vid 30 10 25 20

Esparrago 35 10 30 12

Papa 19 7 15 10

Cebolla 35 10 20 19

Alfalfa 30 10 26 24

Olivo 35 15 25 20

Palto 25 10

Maiz amilaceo 20 7 16 11

Habas 27 10 20 15

Trigo 25 6 20 15

Platano 35 10 30 25

Frijol 35 10 29 21

Mango 35 10 30 25

Naranja 35 13 30 23

Ajo 25 10 20 19

Quinua 26 -1 16 9

Café 30 10 25 20

Camu camu 25 23

2.2.2 Iluminación

Este es otro de los factores climáticos que también pueden influir de manera considerable en el resultado de los cultivos, ya que incide directamente sobre el efecto de la fotosíntesis. Para tener una fotosíntesis máxima es necesario que cuando tengamos mayor luminosidad, se aumenten los niveles de los otros factores: temperatura, HR y CO2. Cuando hay poca luz, los requerimientos de los otros parámetros también disminuyen.

Cuando es necesaria la reducción de la luminosidad se pueden usar técnicas como: Mallas de sombreo, Acolchados de Plástico Negro, y Blanqueo de Cubiertas. En el caso de que se requiera aumentar la luminosidad, se pueden emplear métodos como: orientación adecuada del invernadero, aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las cubiertas, materiales de cubierta con buena transparencia, materiales que reduzcan al mínimo las sombras interiores, acolchados del suelo con plástico blanco.

Es necesario tener en cuenta los materiales de cubierta, ya que por estar sucios o envejecidos pueden provocar el efecto de blanqueo. Un control climático productivo para los invernaderos implica manejar correctamente todos los sistemas de los que dispone el invernadero para realizar el control de las variables mencionadas, con lo cual se podrá mantener un desempeño óptimo de la producción en el invernadero.

2.2.3 Riego

La humedad es la masa de agua en una unidad de masa de aire. La humedad relativa se refiere a la cantidad de agua contenida en el aire en relación con la que se podría contener a la misma temperatura. La relación existente entre temperatura y humedad es de tipo inversa. La tabla 2.7 muestra el rango de humedad relativa en el cultivo de algunos vegetales.

Dado que las especies de vegetación que se puede cultivar en un invernadero son diferentes en sus requerimientos de temperatura, también difieren en sus necesidades de humedad relativa.

Sandia Melón Pepino Berenjena Pimiento Tomate

Humedad 65-80% 60-70% 70-90% 50-60% 50-60% 50-60%

Tabla 2.7 Humedad relativa requerida por algunos vegetales

La humedad relativa es uno de los factores climáticos más críticos que puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Si la humedad relativa es muy baja, las plantas transpiran mucho pudiendo deshidratarse. Si es muy alta, las plantas reducen su transpiración y disminuyen su crecimiento, se producen los abortos florales por apelmazamiento de polen.

C

APÍTULO

3

|

Diseño del

CAPITULO 3 DISEÑO DEL SISTEMA

3.1 Estructura del sistema

3.2 Red de sensores inalámbricos

Una red de sensores inalámbricos consiste en dispositivos autónomos especializados con el fin de monitorizar condiciones físicas o ambientales. La red está constituida por nodos, cada nodo consta de un dispositivo con microcontrolador, sensores y transmisor/receptor.

Es a través de sensores, que se obtiene y recopila información, estos dispositivos deben interconectarse de forma inalámbrica con otros semejantes para formar una red de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Networks, WSN), consistentes en macroredes ad-hoc formadas por multitud de sensores individuales que intercambian información entre sí sin necesidad de cables y mediante un protocolo de comunicación pre-establecido.

Por medio de esta red se puede observar eventos múltiples incluyendo el tráfico, el tiempo, actividad interna del invernadero, activación o desactivación de luminosidad, y el estado de los sensores de temperatura. Por otra parte, un sensor es capaz de procesar una limitada cantidad de datos. Pero cuando coordinamos la información entre cierto número de nodos, éstos tienen la habilidad de medir un medio físico dado con gran detalle.

Con todo esto, una red de sensores puede ser descrita como un grupo de nodos ó motas que se coordinan para llevar a cabo una aplicación especifica. Al contrario que las redes tradicionales, las redes de sensores llevan con más precisión sus tareas dependiendo de la densidad de datos monitoreados y la coordinación de las señales en el sistema. En un principio sus aplicaciones fueron militares, pero actualmente su uso se está extendiendo ampliamente para aplicaciones civiles.

diseño: implementar tecnología wifi y herramientas de diseño Web (Se profundiza en este punto más adelante).

Las redes inalámbricas que se tratan son redes ad hoc en el sentido de redes creadas de forma espontánea, sin una infraestructura específica y funcionando en un espacio y tiempo limitados. Por ello se basan en tecnologías que ofrecen una gran flexibilidad al sistema de comunicaciones. De forma más detallada, no requieren ningún tipo de infraestructura fija ni administración centralizada, donde las estaciones, además de ofrecer funcionalidades de estación final, deben proporcionar también servicios de encaminamiento, retransmitiendo paquetes entre aquellas estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa. En la figura 3.2 se observa la estructura de una red de sensores inalámbricos.

Figura 3.2 Ejemplo de red de sensores inalámbricos

El hardware básico de un nodo de la red se compone de un transceptor (transmisor/receptor), procesador, uno o más sensores, memoria y batería o alimentación eléctrica. Los componentes brindan la opción de comunicación (enviar/recibir información), ejecutar tareas que requieren procesamiento más allá de efectuar funciones de sensado; Cada nodo forma una red con muchos otros nodos.

La capacidad de procesamiento depende del tipo de microprocesador que se emplee. Así mismo, posee una memoria interna en el microcontrolador. La comunicación se realiza mediante un transceptor (transmisor/receptor). Además, se tiene la fuente de alimentación que varía dependiendo el tipo de tecnología con la cual la batería esté fabricada. En cuanto al sensor, éste es el responsable de monitorear el parámetro de interés e informar del mismo

Un ámbito en el que resulta interesante la aplicación de redes es en la gestión de variables climáticas de un invernadero. Los invernaderos requieren de gran cantidad de equipos e infraestructura que deben ser monitorizados y controlados.

Las redes de sensores en este sistema aparecen como una herramienta para la mejora de la gestión de las condiciones del ambiente del invernadero y en la entrega de información al administrador. La función de este sistema es recoger información sobre la temperatura, luminosidad y riego en los invernaderos y de forma automática, realizar ajustes cuando sea necesario; los datos sensados serán almacenados y finalmente publicados en un espacio web.

Las principales características que deben presentar las redes de sensores inalámbricos incluyen:

 Capacidad de auto-organización, que le permitirá adaptarse a los cambios de

topología no previstos.

 Capacidad de operación con las limitantes de procesamiento y memoria.

Las redes de sensores inalámbricos tienen múltiples campos de aplicación, que incluyen:

 Ingeniería en general

Seguridad comercial y residencial. Monitoreo de artículos.

Edificaciones inteligentes.

Mantenimiento de plantas industriales.

 Cirugías y monitoreo de la salud

Microcirugía electro-mecánica.

Sensado de signos vitales de pacientes en hospitales. Administración de medicamentos en hospitales.

 Monitoreo medioambiental y agricultura

Exploración geográfica. Monitoreo geofísico.

Monitoreo de hábitats, como lo son los invernaderos. Detección de desastres medio-ambientales.

 Ingeniería civil

Monitoreo de estructuras.

 Aplicaciones para el hogar

Automatización del hogar.

 Aplicaciones militares

Campos minados autosuficientes. Protección de estructuras.

Supervisión y monitoreo del campo de batalla.

 Otras aplicaciones

Museos interactivos.

Detección y monitoreo de robo de autos.

Parámetros a considerar en el diseño de una red de sensores

Los factores que se deben considerar en el diseño de una red de sensores son aquellos a través de los cuales se puede lograr eficiencia en la utilización de los recursos disponibles. Los parámetros más importantes que se deben tener en cuenta para el diseño de las redes de sensores son:

Escalabilidad: Es un factor crítico que garantiza que el desempeño de la red no se degradará cuando se incremente la densidad de los nodos sensores, o el número de sus elementos.

Bajo costo: Debido a que una red de sensores puede consistir de un gran número de nodos sensores, el costo de cada nodo es importante para justificar los costos totales. Si el costo de la red es más alto que el de una red de sensores tradicional, está injustificado el empleo de una red de sensores inalámbricos.

Para hacer posible alcanzar este objetivo, el protocolo de comunicaciones y el diseño de red, deben evitar la necesidad de componentes de alto costo.

Bajo consumo de potencia: En las redes de sensores inalámbricos se requiere un bajo consumo de energía debido a que existirán aplicaciones en las que no se podrá dar mantenimiento a los nodos sensores, por lo que se requiere una alta duración de las baterías o un suministro ininterrumpido de energía eléctrica.

Latencia: Existen aplicaciones que requieren que se entregue los datos lo más pronto posible y otras que requieren cierto retardo en la entrega de los datos sensados. Por tanto, esta característica se debe adaptar según las necesidades.

Precisión: Siempre será uno de los objetivos principales el obtener información de precisión de esto dependerá la resolución de los sensores (su sensibilidad) así como de la capacidad de procesamiento del microcontrolador.

En los últimos años, las redes de sensores han estado formadas por un pequeño número de nodos que estaban conectados por cable a una estación central de procesado de datos. Hoy en día, sin embargo, nos centramos más en redes de sensores distribuidas, inalámbricas e hibridas. La finalidad de ser distribuidas e inalámbricas se justifica cuando la localización de un fenómeno físico es variable, este modelo permite que los sensores estén mucho más cerca del evento de lo que estaría un único sensor y que permite la lectura de estas variables físicas en puntos estratégicos del invernadero.

Además, en muchos casos, se requieren muchos sensores para evitar obstáculos físicos que obstruyan o corten la línea de comunicación. El medio que va a ser monitorizado no tiene una infraestructura, ni para el suministro energético, ni para la comunicación. Por ello, es necesario que los nodos funcionen con pequeñas fuentes de energía y que se comuniquen por medio de sistemas híbridos; tanto por enlaces cableados como por enlaces inalámbricos.

Otro requisito para las redes de sensores será la capacidad de procesamiento. Esto es necesario porque, siendo la comunicación el principal consumidor de energía, un sistema distribuido significará que algunos sensores necesitarán comunicarse a través de largas distancias, lo que se traducirá en mayor consumo.

3.3 Acceso Remoto

En dicho acceso remoto se utilizan protocolos para la comunicación entre sistemas de control y aplicaciones (software) en ambas estaciones de comunicación (micro-controlador y computadora) se permite el enviar y recibir archivos y/o datos. Además se debe contar con un fuerte sistema de seguridad (tanto en la red, como los protocolos y las aplicaciones).

Las redes de sensores utilizan protocolos especiales de seguridad que permiten obtener acceso a servicios de carácter privado, únicamente a personal autorizado, de una empresa, usuarios particulares, organizaciones, etc.; cuando un usuario se conecta vía Internet, la configuración de la red privada virtual le permite conectarse a la red privada del organismo con el que colabora y acceder a los recursos disponibles de la misma, tal y como si se encontrase frente al ordenador de su oficina o de su propio hogar.

Ventajas del Acceso Remoto

Si por alguna razón el usuario se encuentra lejos de su estación de trabajo es muy probable que en algún momento surja la necesidad de monitorear y/o controlar dicha estación, incluso si requiere dar mantenimiento puede ser útil el empleo de un acceso remoto.

Utilizando una página web a la que se tiene acceso a través de internet inalámbricamente, puede configurarse un Acceso Remoto, siempre y cuando los parámetros que se desea manipular estén conectados dentro de la red local y enlazados al internet, en ocasiones, como es el caso del presente proyecto, es necesario que la computadora, celular o tableta esté conectada a la red global.

3.4 Sistemas de control

Un sistema dinámico puede definirse conceptualmente como un ente que recibe una serie de acciones externas o variables de entrada, y cuya respuesta a estas acciones externas son las denominadas variables de salida.

Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control, que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún tipo de control. La figura 3.3 ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un sistema.

Figura 3.3 Esquema general de un sistema

Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).

1. Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos.

2. Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales.

3. Ser fácilmente implementado y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes:

 Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema.  Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la

consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia.

 Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador

y que modifica las variables de control.

Figura 3.4 Esquema general de un sistema de control

3.4.1 Estrategia de control

La estrategia de control hace referencia a la naturaleza y la dirección de los lazos existentes entre las variables medidas y/o controladas y las variables de control.

Se distinguen dos tipos de estrategias en función de la naturaleza de la información utilizada para calcular la acción de control del sistema, lazo abierto y lazo cerrado.

Lazo cerrado: La acción de control se calcula en función del error medido entre la variable controlada y la consigna deseada. Las perturbaciones, aunque sean desconocidas son consideradas indirectamente mediante sus efectos sobre las variables de salida. Este tipo de estrategia de control puede aplicarse sea cual sea la variable controlada. La gran mayoría de los sistemas de control que se desarrollan en la actualidad son en lazo cerrado.

En la figura 3.5 se muestra una comparación entre control de lazo abierto y lazo cerrado.

Sistema semi-automatizado

Un sistema semi-automatizado es aquel que requiere la intervención del hombre para tomar alguna de las decisiones en el procesado de los datos.

En el presente proyecto se mantiene esta proyección de sistema, debido a que el usuario puede intervenir en la acción directa de las variables de salida, habilitando o deshabilitando los actuadores ligados al sistema de control remoto propuesto en el diseño de éste.

3.4.2 Control remoto

Es el proceso de control de las variables, actuando a través de mecanismos que corrigen o nivelan dichas variables a un punto de referencia deseado, empleando controles que están a distancias mayores con respecto a los actuadores, es decir, no se está frente a los actuadores para poderlos manipular, sino que los controles están en otro punto, lejos de éstos.

3.5 Control sobre las variables

Las variables predeterminadas a controlar dentro del sistema invernadero seleccionado son:

1. Temperatura. Debido a que un invernadero presenta fugas de calor por la disipación de éste en su estructura y que en invierno suele filtrarse el frio, así como el exceso de calor en verano provocado por la radiación Ultravioleta (UV), es una variable que debe regularse según el entorno climático exterior para mantener una temperatura constante.

2. Luminosidad.La percepción de luz en el invernadero es importante, debido a que es la luz la que provoca la fotosíntesis de las plantas, es por esto que el auxiliarse de luz artificial, puede elevar la eficiencia del cultivo dentro del invernadero, utilizándose cuando la luz natural escasea por la presencia de nubes o similares.

3. Riego y/o humedad. Para el cultivo empleado se requiere un nivel de humedad en el cultivo, que puede ser observado a través de la humedad relativa cerca de las plantas en dicho cultivo; su control establece un alza en la eficiencia y la producción del invernadero.

3.5.1 Control de la temperatura

ambientales adecuados para el cultivo. La Figura 3.6 muestra el control de la temperatura en base a dos actuadores.

Figura 3.6 Control de temperatura

El sensor percibe los cambios de temperatura y los muestra en un campo dentro de una página web que podrá ver el usuario desde cualquier computadora conectada a internet, de ésta forma, el usuario podrá tomar dos acciones a seguir para regular la temperatura:

1. El usuario puede accionar un ventilador que acelera el proceso de disipación de calor, manteniendo las ventilas del invernadero abiertas.

2. El usuario puede abrir o cerrar las ventilas, sin necesidad de usar el ventilador, permitiendo así una regulación más lenta de la temperatura.

 Central de procesos a través del

microcontrolador y la interface entre el usuario y el microcontrolador por medio de

3.5.2 Control de la luminosidad

Es necesario implementar un dispositivo fotosensible para determinar la cantidad de luz en el invernadero. Su colocación no solamente puede ser en las cercanías del centro si no que también puede ser colocado en cualquier otra sección del invernadero y estará conectado a un micro-controlador el cual, enviará la señal transformada en tres posibles casos:

 Obscuridad: será en el caso de que el sistema registre una ausencia de más

del 75 % de la luz dentro del invernadero.

 Penumbra: comprendido entre el 40% y el 70% de ausencia de luz dentro del

invernadero.

 Claridad: evento que pertenece del 10% al 35% de ausencia de luz.

Los dispositivos actuadores son las mismas ventilas y lámparas dispuestas en el invernadero; La figura 3.7 muestra el proceso de control:

 Central de procesos a través del

Al ser procesada la intensidad luminosa a través del dispositivo fotosensible, éste activa en el microcontrolador tres posibles casos de intensidad luminosa, cualquiera de los tres puede ser mostrado en la página web destinada para éste fin, dependiendo del evento que esté ocurriendo dentro del invernadero.

El usuario podrá modificar esta variable, acoplándola a los requerimientos de luminosidad para el cultivo, accionando las lámparas o abriendo/cerrando las ventilas.

3.5.3 Control de la Humedad/riego

Se puede implementar uno o varios sensores de humedad de los comerciales en el mercado y estarán colocados en lugares estratégicos donde la recopilación de información de humedad sea relativamente fácil con el fin de monitorear la sección o las secciones de cultivo en el invernadero (es preferente que el sensor se encuentre cerca de la raíz de la planta). La imagen 3.8 muestra el control de la humedad/riego dentro de una línea de cultivo en el invernadero.

Figura 3.8 Control de humedad riego

 Central de procesos a través

El sensor de humedad puede ser calibrado para representar una gama de porcentajes o niveles de humedad, para este proyecto puede ser calibrado para tres casos:

 Húmedo: el sistema detecta que hay una porción considerable de agua en el

cultivo

 Semi-húmedo: el sistema registra una cantidad mínima de agua en el cultivo.  Seco: no existe humedad en el cultivo.

Para actuar sobre esta variable, se emplea una válvula electrónica que puede accionar el usuario desde la página web del sistema de control remoto del invernadero; esta válvula dejará pasar el agua necesaria para irrigar el cultivo.

Se pueden usar mas sensores pero su control y el número de estos dependerá de las capacidades del microcontrolador maestro.

El uso de dispositivos de fácil acceso dentro del mercado de dispositivos electrónicos es propuesto por los bajos costos y la abundancia de éstos pero no necesariamente son de una precisión o exactitud rigurosas.

En el prototipo a escala, se emplean mecanismos y equipos que soportan los valores de un invernadero real, pero su implementación a gran escala presenta variaciones que deben ser consideradas como el uso de motores y ventiladores adecuados y la disposición correcta de los sensores.

3.6 Adquisición de datos

Aparte de hacer más segura la supervisión y el control de los equipos más eficientemente, así como la flexibilidad, una ventaja importante de los controles por ordenador, es el papel secundario de la computadora como un sistema de adquisición y almacenamiento de datos. Con este arsenal de datos se puede ir evaluando y optimizando la respuesta de cada cultivo a las condiciones del invernadero en distintas pruebas o en los distintos períodos del año con gran precisión. Por ejemplo, un productor pudo haber obtenido un lento desarrollo de los pepinos, para cierto periodo del año, aunque el sistema estaba programado y funcionó de manera perfecta en otro período, lo que sugiere que quizás hay que utilizar temperaturas diferentes para épocas con diferentes niveles de iluminación o duración del día u otro factor.

La disponibilidad de datos fiables almacenados en la computadora puede dar la información que se necesita para el reconocimiento rápido de los patrones de respuesta de un cultivo en relación a los cambios externos u otros, que de otra manera no hubieran podido relacionarse con exactitud.

3.7 Arduino como un Servidor Web

Un servidor web no es más que un dispositivo que atiende peticiones de otro dispositivo al cual se le denomina cliente, a través de una dirección IP correspondiente al servidor, es decir, si nosotros accedemos a la IP de Arduino (proporcionada en base a la red local y cargada a la Ethernet Shield, ver anexo II) mediante un navegador, estaremos solicitando una información, Arduino como servidor, nos enviará la información solicitada.

Fig. 3.9 Servidor Web en Arduino

Fig. 3.10 Conexión de la red de sensores y la red

3.8 Implementación WiFi

Cuando hablamos de WIFI nos referimos a una de las tecnologías de comunicación inalámbrica mediante ondas más utilizada 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.

En la actualidad podemos encontrarnos con dos tipos de comunicación WIFI: 802.11b, que emite a 11 Mb/seg, y

802.11g, más rápida, a 54 MB/seg.

De entre todos los tipos de redes inalámbricas, son las redes inalámbricas IEEE 802.11b las que son conocidas como Wi-Fi (Wireless Fidelity), debido a su amplia difusión en el mercado. Los productos y redes Wi-Fi aseguran la compatibilidad efectiva entre equipos, eliminando en los clientes las dudas que puedan surgir a la hora de comprar un nuevo terminal.

Red de sensores

Microcontrolador Arduino con sensores conectados a él

Conceptualmente, no existe ninguna diferencia entre una red con cables (cable coaxial, fibra óptica, etc.) y una inalámbrica. La diferencia está en que las redes inalámbricas transmiten y reciben datos a través de ondas electromagnéticas, lo que supone la eliminación del uso de cables y, por tanto, una total flexibilidad en las comunicaciones.

De hecho, su velocidad y alcance (unos 100-150 metros en hardware factible) lo convierten en una fórmula perfecta para el acceso a internet sin cables. Para tener una red inalámbrica en casa sólo necesitaremos un punto de acceso, que se conectaría al módem, y un dispositivo WIFI que se conectaría en nuestro aparato.

Esta tecnología es implementada en el sistema de control de supervisión remoto de variables climáticas de un invernadero, para formar una red o conexión inalámbrica, para la comunicación de datos entre equipos situados dentro de una misma área (interior o exterior) de cobertura local y de acceso mundial gracias a la interconexión de redes a nivel mundial (internet).

El Wi-Fi no es, sin embargo, una alternativa a una red convencional, es una nueva tecnología que viene a complementar a éstas. Ambas redes (inalámbricas y de cables) ofrecen las mismas expectativas de comunicaciones (compartir periféricos, acceso a una base de datos o a ficheros compartidos, acceso a un servidor de correo, navegar a través de Internet, etc.).