Automatización para el monitoreo y control de riego en plantas micropropagadas

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ. INGENIERÍA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES. REALIZACIÓN DE RESIDENCIA PROFESIONAL Línea de Investigación TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN. “AUTOMATIZACIÓN PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE RIEGO EN PLANTAS MICROPROPAGADAS”. Presentada por JOVANNY ALEXANDER AGUILAR HERNÁNDEZ ROBERTO GONZÁLEZ CORTEZ. Asesor Interno M.C. JOSÉ ALBERTO MORALES MANCILLA.. Asesor externo DR. FEDERICO ANTONIO GUTIERREZ MICELI. Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. Diciembre, 2013.

(2) PROYECTO:. AUTOMATIZACIÓN PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE RIEGO EN PLANTAS MICROPROPAGADAS ACTIVIDAD:. REPORTE DE RESIDENCIA ALUMNOS:. • Jovanny Alexander Aguilar Hernández • Roberto González Cortez. ASESOR: Nombre M.C. José Alberto Morales Mancilla. Firma. REVISOR: Nombre. Firma Ing. Miguel Arturo Vázquez Velázquez. REVISOR: Nombre. Firma M.C. Aida G. Cossío Martínez.

(3) RESUMEN El método convencional de riego y la ausencia de personal encargado en el área de invernadero presente en el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, no brinda los cuidados necesarios a las plantas originadas en el laboratorio del Departamento de bioquímica a cargo del Dr. Federico Antonio Gutiérrez Miceli, provocando la muerte de una cantidad importante de estas. La implementación de un sistema de riego controlado y monitoreado que proporcione la atención correcta y precisa de las necesidades de las plantas para mantenerse en estado óptimo es el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro sistema logra disminuir la muerte de las plantas al tener un control automático y vigilado en tiempo real a través de una interfaz montada en un servidor web..

(4) Contenido 1.. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1. 1.1. Antecedentes ............................................................................................................................... 2 2.. Planteamiento del problema ........................................................................................................ 3. 3.. Objetivos generales ..................................................................................................................... 4 3.1.. 4.. 5.. 6.. Objetivos específicos ........................................................................................................... 4. Justificación ................................................................................................................................ 5 4.1.. ¿Por qué es importante? ..................................................................................................... 5. 4.2.. ¿Qué aportara? ................................................................................................................... 5. 4.3.. ¿Cuáles son los beneficios?.................................................................................................. 5. Estado del arte............................................................................................................................. 6 5.1.. Riego por goteo sub-superficial ........................................................................................... 6. 5.2.. El riego por goteo sub-superficial en el ahorro de agua y energía......................................... 7. 5.2.1.. Ventajas del riego sub-superficial ................................................................................. 8. 5.2.2.. Inconvenientes del riego sub-superficial. ..................................................................... 8. 5.2.3.. Uniformidad del riego sub-superficial........................................................................... 9. 5.3.. Tecnologías de Riego ......................................................................................................... 11. 5.4.. Sistema de riego controlado por teléfono .......................................................................... 12. 5.4.1.. El servidor Elastix ....................................................................................................... 13. 5.4.2.. Interfaz de riego......................................................................................................... 13. 5.4.3.. El protocolo de comunicaciones entre Elastix y la interfaz de Riego ........................... 13. Alcances y limitaciones ............................................................................................................. 14 6.1.. Alcance del producto ......................................................................................................... 14. 6.1.1.. Perspectivas del producto .......................................................................................... 14. 6.1.2.. Funciones del producto.............................................................................................. 14. 6.2.. Características del usuario ................................................................................................. 15. 6.3.. Restricciones generales ..................................................................................................... 15. 6.4.. Suposiciones y dependencias............................................................................................. 15. 6.5.. Requerimientos específicos ............................................................................................... 15. 6.5.1.. Requerimientos funcionales ....................................................................................... 15. 6.5.2.. Requerimientos no funcionales .................................................................................. 16.

(5) 6.5.3. 7.. Requerimientos de Interfaz ........................................................................................ 16. Caracterización del área en que se participó ............................................................................... 17 7.1.. Institución ......................................................................................................................... 17. 7.2.. Lineamientos de la institución ........................................................................................... 17. 7.2.1.. Misión........................................................................................................................ 17. 7.2.2.. Visión......................................................................................................................... 17. 7.2.3.. Valores ...................................................................................................................... 18. 7.3.. Organigrama ..................................................................................................................... 18. 8.. Problemas a resolver priorizándolos .......................................................................................... 20. 9.. Fundamento teórico ................................................................................................................... 21 9.1.. Fundamento específico...................................................................................................... 21. 9.1.1.. Micropropagación...................................................................................................... 21. 9.1.2.. Invernaderos.............................................................................................................. 21. 9.1.2.1. 9.1.3.. 9.2.. Clasificación de los Invernaderos ........................................................................ 21. Sistemas de riego en invernaderos ............................................................................. 22. 9.1.3.1.. Micro-aspersores ............................................................................................... 22. 9.1.3.2.. Riego con Difusores ............................................................................................ 22. 9.1.3.3.. Riego Subterráneo.............................................................................................. 22. 9.1.3.4.. Riego con manguera........................................................................................... 23. 9.1.3.5.. Riego por goteo .................................................................................................. 23. 9.1.3.6.. Riego con electroválvulas ................................................................................... 23. Fundamento conceptual .................................................................................................... 24. 9.2.1.. Arduino UNO ............................................................................................................. 24. 9.2.1.1.. Potencia ............................................................................................................. 26. 9.2.1.2.. Memoria ............................................................................................................ 27. 9.2.1.3.. Entrada y salida .................................................................................................. 27. 9.2.1.4.. Comunicación .................................................................................................... 28. 9.2.1.5.. Programación ..................................................................................................... 29. 9.2.1.6.. Software Reset automático ................................................................................ 29. 9.2.1.7.. Relé de protección multifunción USB.................................................................. 30. 9.2.1.8.. Características físicas.......................................................................................... 30. 9.2.2.. Arduino Ethernet Shield ............................................................................................. 32.

(6) 9.2.2.1. 9.2.3.. LM35 -- Sensor de temperatura de precisión.............................................................. 36. 9.2.3.1. 9.2.4.. Características físicas.......................................................................................... 35. Características .................................................................................................... 36. Válvula ....................................................................................................................... 38. 9.2.4.1.. Usos y aplicaciones de las válvulas...................................................................... 38. 9.2.4.2.. Tipos de válvulas ................................................................................................ 39. 9.2.4.3.. Válvula automática............................................................................................. 39. 9.2.4.4.. Válvula solenoide ............................................................................................... 39. 9.2.4.5.. Generalidades .................................................................................................... 40. 9.2.4.6.. Cuerpo de la válvula ........................................................................................... 40. 9.2.4.7.. Bobina................................................................................................................ 41. 9.2.4.8.. Materiales sellantes ........................................................................................... 41. 9.2.4.9.. Instalación de la válvula...................................................................................... 41. 10. Procedimientos y descripción de las actividades realizadas ........................................................ 42 10.1.. Análisis .......................................................................................................................... 42. 10.2.. Diseño ........................................................................................................................... 43. 10.2.1. 10.3.. Diseño web ................................................................................................................ 44 Desarrollo ...................................................................................................................... 45. 10.3.1.. Programación y configuración de la Placa Arduino R3 ................................................ 45. 10.3.2.. Programación y configuración del Módulo Ethernet Shield W5100 ............................ 46. 10.3.3.. Conexión de la electroválvula..................................................................................... 47. 10.3.4.. Interfaz web Electroválvulas: desarrollo y funcionamiento ......................................... 48. 10.3.5.. Interfaz web sensores: desarrollo y funcionamiento .................................................. 49. 10.4.. Pruebas ......................................................................................................................... 51. 10.5.. Fases del proceso de Micropropagación ........................................................................ 53. 10.5.1.. Preparación de la planta madre ................................................................................. 53. 10.5.2.. Desinfección del material vegetal............................................................................... 53. 10.5.3.. Introducción del material in vitro ............................................................................... 54. 10.5.4.. Multiplicación de los brotes ....................................................................................... 54. 10.5.5.. Aclimatación de los explantos enraizados .................................................................. 55. 11. Resultados, planos, gráficas, prototipos y programas ................................................................. 57 11.1.. Casos de uso .................................................................................................................. 57.

(7) 11.2.. Diagrama de Secuencia .................................................................................................. 61. 11.3.. Interfaz web .................................................................................................................. 62. 11.4.. Levantamiento y administración en el servidor .............................................................. 63. 11.5.. Prototipos de prueba ..................................................................................................... 64. 12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.......................................................................... 68 12.1.. ¿Qué se logró? ............................................................................................................... 68. 12.2.. ¿Qué no se logró? .......................................................................................................... 68. 12.3.. ¿Qué se recomienda? .................................................................................................... 68. 13. REFERENCIAS ........................................................................................................................ 69 13.1.. Referencias bibliográficas .............................................................................................. 69. 13.2.. Referencias de páginas web ........................................................................................... 70. ANEXOS ......................................................................................................................................... 71 Formatos de seguimiento de proyecto de residencias profesionales ............................................. 72 Datasheet Arduino UNO R3 ........................................................................................................... 79 Datasheet Arduino Ethernet Shield ............................................................................................... 80 Datasheet Sensor de temperatura LM35 ....................................................................................... 81 Formato de encuesta .................................................................................................................... 94 Gráficas y Análisis ......................................................................................................................... 95 Imágenes del Invernadero ........................................................................................................... 106.

(8) Lista de Tablas Tabla 6.1. Métodos de riego y superficie ocupada en el año 2006 (Fuente: ESYRCE, 2006. MAPA). ................................................................................................................................ 11 Tabla 10.1. Propiedades de la tarjeta Arduino UNO. ........................................................... 25 Tabla 10.2. Propiedades de tarjeta Arduino Módulo Shield W5100 .................................... 33 Tabla 12.1. Plantilla de casos de usos, Usuario. ................................................................... 57 Tabla 12.2. Plantilla de casos de usos, Monitorear. ............................................................. 58 Tabla 12.3. Plantilla de casos de usos, Riego Manual.......................................................... 58 Tabla 12.4. Plantilla de casos de usos, Seleccionar Aspersores. .......................................... 59 Tabla 12.5. Plantilla de casos de usos, Seleccionar Tiempo. ............................................... 59 Tabla 12.6. Plantilla de casos de usos, Iniciar. ..................................................................... 60. viii.

(9) Lista de Figuras Figura 6.1. Esquema típico de un sistema de riego por goteo sub-superficial. ........................... 7 Figura 6.2. Evolución de los riegos localizados en el mundo en el periodo 1981- 2006. (Fuente: GMIA, 2006. IWMI). .................................................................................................. 10 Figura 6.3. Evolución de las superficies regadas por gravedad y riego localizado ................... 10 Figura 6.4. Sistema de riego controlado por teléfono................................................................ 12 Figura 8.1. Ubicación del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez ....................................... 17 Figura 8.2. Organigrama del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. ................................. 18 Figura 8.3. Organigrama, Departamento de Bioquímica........................................................... 19 Figura 10.1. Arduino Uno R3 (Vista frontal) ............................................................................ 31 Figura 10.2. Arduino Uno R3 (Visto por detrás)....................................................................... 31 Figura 10.3. Arduino Modulo Shield W5100 montado sobre Arduino UNO. ......................... 32 Figura 10.4. Arduino Ethernet Shield (Vista frontal). ............................................................... 35 Figura 10.5. Diagrama de conexión........................................................................................... 37 Figura 10.6. Válvula solenoide (Con corte para vista interior). ................................................ 41 Figura 11.1. Modelo conceptual del Sistema de Riego. ............................................................ 42 Figura 11.2. Diagrama de bloques “Sistema de riego”.............................................................. 43 Figura 11.3. Configuración de Placa Arduino R3 ..................................................................... 45 Figura 11.4. Configuración del Módulo Shield Ethernet W5100.............................................. 46 Figura 11.5. Componentes para la activación de una electroválvula ........................................ 47 Figura 11.6. Interfaz Web. ......................................................................................................... 48 Figura 11.7. Conexión de un Sensor de Temperatura. .............................................................. 49 Figura 11.8. Lectura de canales analógicos. .............................................................................. 50 Figura 11.9. Visualización de temperatura en página web. ....................................................... 50 Figura 11.10. Encendido y apagado de electroválvula. ............................................................. 51 Figura 11.11. Censo de temperatura. ......................................................................................... 52 Figura 12.1. Diagrama de casos de uso. .................................................................................... 57 Figura 12.1. Diagrama de Secuencia. ........................................................................................ 61 Figura 12.3. Pantalla de Riego. ................................................................................................. 62 Figura 12.4. Pantalla de Monitoreo. .......................................................................................... 62. ix.

(10) Figura 12.5. Prototipo 1 A. ........................................................................................................ 63 Figura 12.6. Prototipo 1 B. ........................................................................................................ 64 Figura 12.7. Prototipo 1 C. ........................................................................................................ 64 Figura 12.8. Prototipo 2 A. ........................................................................................................ 65 Figura 12.9. Prototipo 2 B. ........................................................................................................ 66 Figura 12.10. Prototipo 2 C. ...................................................................................................... 66 Figura 12.11. Grafica 1. ............................................................................................................. 67 Figura 12.12. Gráfica 2. ............................................................................................................. 68 Figura 12.13. Grafica 3. ............................................................................................................. 69 Figura 12.14. Grafica 4. ............................................................................................................. 70 Figura 12.15. Grafica 5. ............................................................................................................. 71 Figura 12.16. Grafica 6. ............................................................................................................. 72 Figura 12.17. Grafica 8. ............................................................................................................. 73 Figura 12.18. Grafica 8. ............................................................................................................. 74 Figura 12.19. Grafica 9. ............................................................................................................. 75 Figura 12.20. Grafica 10. ........................................................................................................... 76 Figura 12.21. Grafica 11. ........................................................................................................... 77. x.

(11) 1.. INTRODUCCIÓN. El presente escrito tiene como finalidad exponer a detalle todo el conjunto de partes que conforman nuestro sistema automático de riego, controlado y monitoreado desde un servidor web, que tiene como fin evitar muertes de plantas micropropagadas logradas en el laboratorio de bioquímica del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. Tecnologías de innovación de este tipo, así como la integración, la computación, las telecomunicaciones y la técnica para el procesamiento de datos, donde sus principales componentes son: el factor humano, los contenidos de la información, el equipamiento, la infraestructura, el software y los mecanismos de intercambio de información, además de los recursos financieros; conforman los protagonistas del desarrollo informático en una sociedad, tanto para su desarrollo como para su aplicación, además se reconoce que la implementación de un sistema automatizado que realice el trabajo de una manera eficiente y rápida constituyen el núcleo central de una transformación multidimensional que experimenta la economía y la sociedad; de aquí lo importante que es el estudio y dominio de las influencias que tal transformación impone al ser humano como ente social, ya que tiende a modificar no sólo sus hábitos y patrones de conducta, sino, incluso, su forma de pensar, esto se logra en la manera de la reducción de recursos así como el cuidado ambiental que nuestro sistema propone. La metodología que rige a nuestro producto merece estar clasificada como de alto impacto, ya que la reducción de pérdidas económicas al mantener con vidas las plantas es el principal problema a resolver; esto es posible lograrlo ya que tenemos las bases de conocimiento que sistemas similares han logrado. A través del uso de nuestro sistema se logran importantes mejoras, pues automatizan los procesos operativos, suministran una plataforma de información necesaria para la toma de decisiones y, lo más importante, su implantación logra la reducción de tiempo, esfuerzo físico y monetario.. 1.

(12) 1.1.. Antecedentes. En los laboratorios del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez se trabaja con la propagación vegetativa de ciertas plantas en peligro de extinción. La historia de la producción vegetal se ha caracterizado por el desarrollo de tecnologías de avanzada que facilitan y optimizan la propagación vegetativa. La posibilidad de controlar el ambiente (uso de nieblas, calefactores, termostatos, serenos, etc.), amplia el espectro de especies que pueden seleccionarse y multiplicarse de esta forma (Marsden, 1955). La propagación vegetativa o asexual se utiliza para producir una planta que posea el mismo genotipo que la planta madre (planta donadora) y esto es posible porque todas las células de una planta poseen la información necesaria y/o suficiente para reproducir la planta entera (Hartmann et al., 1992). La técnica utilizada en el Tecnológico es la micropropagación, mediante pequeños fragmentos de la planta madre o embriones cultivados en tubos de ensayo, con solución nutritiva y ambiente aséptico. Dentro del proceso de micropropagación se pueden diferenciar varias fases o etapas: •. Desinfección de las yemas de la planta y/o desinfección de semillas. •. Introducción del material seleccionado in vitro. •. Multiplicación de brotes. •. Enraizamiento. •. Aclimatación. En la actualidad esta última etapa o fase, la “aclimatación”, es llevada a cabo dentro de los invernaderos del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, en la cual se utiliza un riego por manguera, el método más simple, incluso si este método demuestra ser eficaz, no es práctico para los grandes invernaderos y puede consumir mucho tiempo y trabajo.. 2.

(13) 2.. Planteamiento del problema. Actualmente, en el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez en el laboratorio de cultivos de tejidos vegetales del área de bioquímica se trabaja en el cultivo de plantas en peligro de extinción mediante la técnica de micro propagación, por ejemplo el Agave grijalvencis, procedimiento que toma aproximadamente 4 meses dentro del laboratorio y 4 meses más en el invernadero antes de poder distribuir las plantas. Mediante la micro propagación de plantas uno de los puntos clave es la aclimatación, el paso del laboratorio al invernadero, ya que de esto depende el éxito o el fracaso de todo el proceso, en esta etapa se necesita un especial cuidado en la humedad de la planta, gran problema actualmente en los invernaderos del tecnológico debido a la falta de instalaciones óptimas y de un departamento encargado para el trabajo. Esta labor queda a cargo de alumnos que por diferentes razones quedan al cuidado de dichas plantas, lamentablemente no son capaces de atender esta tarea como es debido y se producen importantes pérdidas de plantas, se mueren; además de que se utiliza un riego por manguera que según estudios agrícolas es la menos eficiente. El sistema de riego en invernaderos a través del uso de la manguera no es muy recomendable para los invernaderos ya que al ser un sistema manual la persona encargada debe dedicar mucho tiempo a esta actividad, además nunca se consigue una uniformidad óptima debido a que cae agua en algunos lugares más que en otros.. 3.

(14) 3.. Objetivos generales. Automatizar y controlar a distancia un sistema de riego, mediante una plataforma electrónica desde un servidor web. Mejorar el sistema de riego para el ahorro de agua en el proceso de riego de las plantas. Monitorear áreas variables de cultivos micropropagados.. 3.1.. Objetivos específicos. •. Disminuir el personal físico en el proceso de riego al implementar la automatización.. •. Activar y desactivar electroválvulas a distancia mediante un servidor web.. •. Visualizar el censo de temperatura y humedad en un servidor web.. •. Utilizar el método por goteo de agua.. •. Aumentar la cantidad de plantas que sobreviven en área de invernadero.. 4.

(15) 4.. Justificación. 4.1.. ¿Por qué es importante?. Controlar de forma automática el sistema de riego por medio de internet es una apropiada implementación de la tecnología en el cuidado de plantas micropropagadas en un invernadero, permitiendo tener una mejor producción de plantas, y aprovechando de manera eficiente los recursos empleados y necesarios para su nutrición.. 4.2.. ¿Qué aportara?. El control sobre estas plantas a distancia logrará que la pérdida de productos sea menor a la actual. El sistema logra automatizar el proceso de riego que se emplea en las plantas. El sistema es eficiente y bastante completo, mediante el monitoreo constante y en tiempo real de la temperatura y humedad del invernadero.. 4.3.. ¿Cuáles son los beneficios?. La información (meteorológica, cultivo, suelo, geográfica), hardware y software interactuaron de acuerdo a lo programado dentro del sistema de riego, lo que permite el correcto manejo y adecuado uso del agua y nutrientes que necesitan las plantas para vivir en el invernadero. El porcentaje de plantas que sobreviven en el área de invernadero será mayor, disminuyendo el gasto que se emplea en la producción de las plantas. La disminución de tiempo y recursos humanos en el proceso de riego, es un resultado secundario pero de igual importancia en la implementación del sistema.. 5.

(16) 5.. Estado del arte. 5.1.. Riego por goteo sub-superficial. Las crecientes demandas de consumo de agua para el uso doméstico, industrial y agrícola han generado la necesidad de investigar y adoptar nuevas tecnologías que permitan un mejor aprovechamiento de este recurso. En los últimos años se ha trabajado para adoptar una nueva tecnología de riego, llamado sistema de riego por goteo sub-superficial (RGS), que se define como la forma de aplicar agua a los cultivos en forma subterránea mediante emisores con gastos uniformes, que ha reducido el gasto hasta en un 40% comparado con otros sistemas de riego, y emplea cintas de goteo enterradas en el suelo, lo cual permite conservar el agua e incrementar significativamente la producción y calidad de los cultivos. Este sistema de riego, evita la saturación del agua en el suelo y el estrés por déficit de humedad al cultivo antes de la aplicación del siguiente riego. Estas condiciones son comunes cuando los cultivos se riegan con el método de riego por inundación de agua o también llamado riego superficial. El déficit de humedad, provoca un cierre estomático, reduciendo por lo tanto la transpiración y asimilación de CO2, originando como consecuencia, una menor producción de materia seca. El RGS, permite un ahorro de agua de 30 y 50 % con respecto al riego por aspersión e inundación, debido que la aplicación de agua en el RGS es de bajo volumen, además de que la pérdida de agua por evaporación directa del suelo y por percolación profunda es mayor en el sistema de inundación; en el RGS la capa superior del suelo permanece prácticamente seca, disminuyendo la evaporación directa desde el suelo y la proliferación de malezas. Estudios recientes de la evapotranspiración, demostraron que ésta fue 81 mm mayor en los goteros superficiales con respecto los sub-superficiales. La variación en los rendimientos de los cultivos depende de la uniformidad de la humedad en la superficie y la variación del contenido de humedad del suelo. El RGS permite una alta eficiencia en el uso del agua, con un ahorro del 46 % en el volumen utilizado y un incremento de forraje seco en la alfalfa del 33 % con respecto al riego por inundación. Entre las ventajas adicionales que ofrece este sistema se encuentra la aplicación de agroquímicos por medio de 6.

(17) inyección; permitiendo ahorro en mano de obra y un mejor aprovechamiento de los nutrimentos por el cultivo [1].. 5.2.. El riego por goteo sub-superficial en el ahorro de agua y energía. Entre los métodos de riego, los riegos localizados (goteo, micro aspersión, etc.) se consideran los de mayor eciencia. Como una alternativa al riego por goteo tradicional, los ramales se pueden enterrar a una determinada profundidad, lo que se conoce como riego sub-superficial. Según los estándares de ASAE (1996), el riego por goteo sub-superficial consiste en la “aplicación de agua bajo la superficie del suelo a través de emisores y con caudales similares a los utilizados en riego por goteo superficial”. En el riego sub-superficial los ramales y tubería porta-ramales van enterrados. Los componentes del sistema de riego son similares al riego por goteo convencional, salvo que la red de tuberías de la unidad de campo de riego es mallada, con una tubería de limpia que une la cola de todos sus ramales (ver Figura 1.1). Los emisores de riego suelen ser también similares, con la salvedad de que los destinados al sub-superficial se les impregnan de una solución herbicida para impedir la entrada de las raíces en el punto de desagüe del emisor [2].. Figura 6.1. Esquema típico de un sistema de riego por goteo sub-superficial. 7.

(18) En las últimas décadas el riego sub-superficial ha aumentado su extensión debido a las ventajas que presenta sobre el riego tradicional de goteo. Algunas de las ventajas e inconvenientes de este riego se exponen a continuación: 5.2.1. Ventajas del riego sub-superficial La eficiencia potencial en el uso del agua es mayor dado que se elimina o se reduce en gran medida la evaporación, la escorrentía superficial y la filtración profunda. Además, se tiene un menor riesgo de contaminación del agua ya que se reduce el movimiento de fertilizantes y otros compuestos químicos por filtración profunda hacia los acuíferos. Asimismo, se puede utilizar agua de baja calidad, como aguas residuales, dado que la aplicación del agua bajo la superficie del suelo reduce el contacto de personas y animales con la misma y elimina malos olores. La aplicación más precisa y oportuna de fertilizantes y pesticidas puede mejorar la eficiencia de su aplicación y, en algunos casos, la reducción de las cantidades aportadas. También se mejora el control de malas hierbas dado que, con frecuencia, se reduce la germinación y el crecimiento de las mismas en las zonas secas. Al estar la superficie del suelo seco los trabajos manuales son más fáciles que en suelo húmedo. Asimismo, se facilita la cosecha doble al permitir ajustar mejor el calendario de labores de los cultivos dado que no es necesario desinstalar la unidad en la recolección y reinstalar, posteriormente, para plantar una segunda cosecha. Por otra parte, los ramales y las tuberías sufren menos daños y se reducen, además, los posibles daños por vandalismo. Finalmente, las presiones de trabajo suelen ser menores que en el riego por goteo superficial lo que unido al ahorro de agua repercute en una reducción del coste energético. 5.2.2. Inconvenientes del riego sub-superficial. Al estar la unidad enterrada no se ve el desagüe de los emisores por lo que es difícil la evaluación en campo de las unidades de riego para conocer la uniformidad de la aplicación del agua por el sistema y el resultado del riego, así como para evaluar el funcionamiento del sistema.. 8.

(19) Si el caudal del emisor supera la infiltración del suelo se producirá una sobrepresión en el punto de desagüe del emisor lo que podría provocar la formación de charcos en superficie. Se debe controlar la intrusión de raíces en los ramales, especialmente con determinados cultivos vivaces, cuyas raíces pueden estrangular los ramales y reducir o eliminar el flujo del agua. Los ramales deben ser lavados, con periodicidad, para eliminar acumulaciones de limo y otros sedimentos. El funcionamiento y el manejo requieren un mayor cuidado que otros sistemas de riego. Asimismo, en estos sistemas, las partículas de suelo pueden entrar al ramal al acabar el riego si se produce vacío, por ello, deben instalarse ventosas que funcionen correctamente (ver Figura 1). 5.2.3. Uniformidad del riego sub-superficial. Un proyecto y manejo apropiado de estos sistemas permite una eficiencia potencial del uso del agua mayor del 95% (Payero, 2005). La uniformidad de la aplicación del agua CV en ramales enterrados podría ser mayor que en los superficiales en suelos uniformes sobre todo en suelos con textura na. Dicha uniformidad disminuye al considerar la variabilidad espacial del suelo. No obstante, en las evaluaciones realizadas, la diferencia de uniformidades en uno y otro caso fue pequeña y en todas ellas, se cumplieron los estándares de ASAE (1996). La uniformidad de aplicación en unidades de riego sub-superficiales es buena y comparable a la del riego superficial en la mayoría de los suelos. En suelos uniformes incluso, la uniformidad podría ser mayor en suelos de textura fina. Se observa que el emisor con caudal menor es el de mayor uniformidad por lo que, a su vez, los requerimientos de energía serán menores. Esta expansión del riego localizado, método que se considera más eficiente, se ha visto favorecido en los últimos años por la política de regadío llevada a cabo por el Ministerio de Agricultura, cuyo Plan de Choque tiene entre sus objetivos el ahorro de agua y conseguir una agricultura sostenible y más respetuosa con el medioambiente. Por otra parte, el consumo de energía es importante en el riego a presión, y el riego localizado es el que menos energía requiere. Según el Plan Nacional de Regadíos Horizonte 2008, la agricultura consume el 3.5 % del total nacional y, de ese porcentaje, casi una cuarta parte, 2867 GW*h, corresponde al regadío. 9.

(20) Figura 6.2. Evolución de los riegos localizados en el mundo en el periodo 1981- 2006. (Fuente: GMIA, 2006. IWMI).. Figura 6.3. Evolución de las superficies regadas por gravedad y riego localizado 2002-2006. (Fuente: ESYRCE, 2006. MAPA).. 10.

(21) Tabla 6.1. Métodos de riego y superficie ocupada en el año 2006 (Fuente: ESYRCE, 2006. MAPA).. 5.3.. Tecnologías de Riego. Cada día en más regiones del mundo el agua se convierte en un recurso escaso y costoso, por lo que en la agricultura -el mayor consumidor de agua- se deben tomar medidas para hacer un uso más eficiente del agua. Generalmente en la agricultura se tienen altos consumos de agua causados por la sobre-irrigación, lo cual no sólo genera un desperdicio de agua, sino que también, debido a los agroquímicos disueltos, provoca la contaminación de corrientes de agua superficiales y subterráneas (IMTA, 1995) y en algunas zonas el ensalitramiento de los suelos. Un conocimiento de las necesidades de agua de los cultivos no sólo permite un mejor desarrollo para lograr una mayor producción y mejor calidad de las cosechas sino que contribuye también a ahorrar considerables volúmenes de agua (IMTA, 1995b). Sin embargo, hasta ahora ninguno de estos sistemas, se encuentran en la práctica con una aceptación considerable, las razones principalmente se deben a la alta demanda de tiempo, trabajo y capacitación para operar y alimentar de datos e información estos sistemas (Águila, 2003). Por lo que, resulta necesario continuar en este campo para desarrollar sistemas de riego automatizado que aprovechen nuevas tecnologías. La presente investigación se efectuó con el objetivo de desarrollar un sistema de riego automatizado en tiempo real para determinar, controlar el momento oportuno y la cantidad de riego, monitoreado por medio de las tecnologías de información (TI) [3].. 11.

(22) 5.4.. Sistema de riego controlado por teléfono. Para aclarar mejor cómo funcionará el sistema vea la siguiente figura donde se ilustran los componentes que lo conforman.. Figura 6.4. Sistema de riego controlado por teléfono.. Como ilustra la figura anterior hay dos componentes principales, y son: •. El servidor Elastix.. •. La interfaz con la válvula de riego (o interfaz de riego).. 12.

(23) 5.4.1. El servidor Elastix Para el servidor Elastix instalé la versión 2.2 RC1. Este servidor es el que me servirá de PBX pues lo conectaré con el mundo exterior mediante una línea telefónica. De este modo puedo llamar por teléfono al servidor Elastix y activar el riego. Como se puede observar en la figura anterior (figura 4), en este servidor residirán dos programitas que desarrollé: Un script AGI y un driver de alto nivel (para que se comunique con la interfaz de riego vía USB). Ambos los escribiré en PHP debido a que es un lenguaje muy popular y existe bastante documentación que se puede consultar vía Web; de este modo la explicación es más entendible. Alguno se puede preguntar por qué no controlo al Arduino directamente desde el script AGI. La respuesta es que preferí tener el driver por separado porque también me servirá para controlar el Arduino desde la interfaz Web que desarrollaré en un futuro próximo. Eso es lo que significa el rectángulo que dice “Interfaz Web” en la figura anterior. 5.4.2. Interfaz de riego La interfaz de riego es un circuito que por un lado se conecta al servidor Elastix a través de un puerto USB y por el otro se conecta a la válvula de riego. Hay muchas maneras maneras de realizar esta circuitería. En mi caso me decidí por usar una placa Arduino conectada a un relé. Básicamente porque tenía una placa Arduino ociosa y decidí darle algún uso interesante. Esta placa se encuentra conectada a un relé a través de una circuitería sencilla. En la práctica terminé reemplazando el circuito de relé con uno pre-construido que compré para Arduino (con entrada opto-aislada y doble relé) y que en Internet hay un montón a precios razonables. Lo único que no me gustó mucho del circuito que compré es que tiene lógica negada. Es decir, que cuando la entrada es un HIGH el relé se encuentra apagado, mientras que cuando es un LOW se encuentra encendido. Por eso verán más adelante que el código para el Arduino toma en consideración esta lógica. 5.4.3. El protocolo de comunicaciones entre Elastix y la interfaz de Riego El protocolo que utilizaré será lo más sencillo posible. De esta manera le será más fácil al lector entender el código. El protocolo consiste de un solo comando compuesto por un byte.. 13.

(24) Este byte será interpretado como un número entero por el Arduino y representará el número de minutos que se desea activar el riego. Si deseo interrumpir el riego envío el número 128 [4].. 6.. Alcances y limitaciones. 6.1.. Alcance del producto. Se espera que el producto final llene los espacios que se necesitan para dar una solución apropiada al problema social, así como también dar una guía para futuros proyectos de innovación tecnológica. 6.1.1. Perspectivas del producto Al comenzar el proyecto, los conocimientos relacionados con el control remoto de válvulas de riego mediante envió de señales a distancia eran muy limitados pero con la continua investigación por parte nuestra así como las asesorías del profesor nos han dado un panorama más amplio hacia lo que nos enfrentamos con el proyecto. La aplicación de dicho proyecto, permite la capacitación y generación de actividades que han enriquecido en cierta forma nuestras bases para poder lograr un producto innovador y necesario para la automatización y control de dispositivos mecánicos a distancia, de esta manera reafirmamos nuestro compromiso con la institución como miembros activos de la mejora de las instalaciones. 6.1.2. Funciones del producto Mejorar el método convencional utilizado actualmente en el invernadero del tecnológico de Tuxtla Gutiérrez mediante la adopción de un mayor nivel técnico. La implantación de nuevas estructuras de invernadero que permitan una mejora de la aclimatación y la sustitución del cultivo sobre sustratos hacia el suelo “tierra” en un intento de tener más control sobre la nutrición del cultivo. •. Ahorro de agua en el proceso de riego de las plantas.. •. Ausencia de personal físico en el proceso de riego.. 14.

(25) 6.2. -. Características del usuario. Docente con permisos asignados por nosotros, capacitándolo para el uso del login, acceso a la información y la manipulación remota del sistema.. -. Personal capacitado. -. Tener productos activos en el invernadero que necesite de un cuidado.. -. Usuario con poco tiempo y personal limitado.. 6.3.. Restricciones generales. Solo está asignado al invernadero de la institución en la que estamos ejerciendo nuestros estudios superiores. -. Limitado a invernaderos de micropropagación.. -. Elaborado exclusivamente para docentes del área de bioquímica en el instituto.. 6.4. -. Suposiciones y dependencias. Dependemos únicamente del factor monetario del encargado del área de laboratorios de la facultad de ingeniería bioquímica.. -. Apoyo del asesor interno con respecto a materiales electrónicos (plataforma electrónica).. -. Apoyo del asesor externo para los materiales implementados en el invernadero.. 6.5.. Requerimientos específicos. 6.5.1. Requerimientos funcionales -. Servidor web. -. Computadora. -. Sensores de humedad y temperatura.. -. Sistema operativo. -. Sistema manejador de archivos. -. Placa electrónica Arduino.. -. Cable Ethernet 15.

(26) -. Invernadero. -. Electroválvulas. -. Aspersores y mangueras.. -. Suministros de agua.. -. Corriente eléctrica.. -. Modem con acceso a internet.. -. Ubicación de la instalación.. -. Operador del sistema.. 6.5.2. Requerimientos no funcionales -. Cantidad de plantas. -. Tiempo invertido. -. Costo elevado. -. Fertilizante. -. Oficina de control. -. Clima atmosférico. -. Contenedores para plantas pequeñas. -. Estantería de contenedores. -. Productos exitosos. 6.5.3. Requerimientos de Interfaz -. Sitio WEB para accesar al sistema.. -. Animación de los recursos del sistema para el uso sencillo.. -. Diseño sencillo pero funcional.. -. Accesibilidad a las funciones remotas.. 16.

(27) 7.. Caracterización del área en que se participó. 7.1.. Institución. INSTITUTO TECNOLOGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ El Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez desarrolla múltiples actividades extraescolares para la promoción de cuidado ambiental y la cultura sustentable. Ubicación: Carretera Panamericana Km. 1080, C.P. 29050, Apartado Postal: 599.. Figura 8.1. Ubicación del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. 7.2.. Lineamientos de la institución. 7.2.1. Misión La misión del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez es formar de manera integral profesionales de excelencia en el campo de la ciencia y la tecnología con actitud emprendedora, respeto al medio ambiente y apego a los valores éticos. 7.2.2. Visión Ser una institución de excelencia en la educación superior tecnológica del sureste, comprometida con el desarrollo socioeconómico sustentable de la región.. 17.

(28) 7.2.3. Valores. 7.3.. -. El ser humano.. -. El espíritu de servicio.. -. El liderazgo.. -. El trabajo en equipo.. -. La calidad.. -. El alto desempeño.. -. Respeto al medio ambiente.. Organigrama Parte 1 Parte 2. Parte 3. Figura 8.2. Organigrama del Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez.. 18.

(29) Figura 8.3. Organigrama, departamento de Bioquímica.. 19.

(30) 8. I. II.. Problemas a resolver priorizándolos Mantener con vida más plantas en el área de invernadero. No hay un personal encargado en el proceso de riego y que brinde el cuidado adecuado a las plantas.. III.. Los cultivos micropropagados no están monitoreados constantemente y se producen perdidas.. IV.. Monitorear el estado en que se encuentran las plantas, censando temperatura y humedad en el sitio.. V.. Lograr controlar las electroválvulas a distancia para hacer un uso cómodo y controlado del riego a las plantas.. VI.. El método de riego actual desperdicia mucha agua en el invernadero, el sistema logra disminuir y ahorrar agua.. VII.. Para el ahorro del agua se utilizara el método de goteo.. 20.

(31) 9.. Fundamento teórico. 9.1.. Fundamento específico.. 9.1.1. Micropropagación Es el conjunto de técnicas y métodos de cultivo de tejidos utilizados para multiplicar plantas asexualmente en forma rápida, eficiente y en grandes cantidades. La micropropagación se utiliza para multiplicar o propagar plantas nuevas, tales como aquellas creadas por ingeniería genética, muta génesis o mejoramiento genético. Se utiliza también la micropropagación para obtener plantas libres de enfermedades (tales como virosis) u obtener grandes cantidades de plantas que no se propagan eficientemente [5]. 9.1.2. Invernaderos Es una construcción agrícola de estructura metálica, usada para el cultivo y/o protección de plantas, con cubierta de película plástica traslucida que no permite el paso de la lluvia al interior y que tiene por objetivo reproducir o simular las condiciones climáticas más adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas establecidas en su interior, con cierta independencia del medio exterior y cuyas dimensiones posibilitan el trabajo de las personas en el interior. Los invernaderos pueden contar con un cerramiento total de plástico en la parte superior y malla en los laterales [6]. 9.1.2.1.. Clasificación de los Invernaderos. Clase A: Estructuras de Invernaderos unitarios o en batería. Clase B: Estructuras tipo Casa-Sombra y Macro túneles. En ambos tipos el período mínimo de vida útil de la estructura es de 10 Años.. 21.

(32) 9.1.3. Sistemas de riego en invernaderos 9.1.3.1.. Micro-aspersores. Como la mayoría de nosotros, los interesados por la jardinería, sabemos, existen diferentes tipos de sistemas de riego en invernaderos, entre los más populares encontramos a los micro aspersores los cuales tienen un alcance de aproximadamente unos 2 metros, según la presión que tenga el tipo de boquilla utilizada. Existen los microaspersores emergentes que son los que, al abrir el paso del agua salen desde el suelo, y cuando se cierra el paso de la misma se vuelven a meter. Otro tipo de aspersores son los móviles que se colocan en la punta de la manguera y se van moviendo de un lugar a otro. El sistema de riego en invernaderos por micro aspersores es preferible para las texturas arenosas ya que cubren más superficie y es ideal para el riego de rosales, flores pequeñas y zonas reducidas. 9.1.3.2.. Riego con Difusores. En el caso de los sistemas de riego en invernaderos con difusores decimos que dichos accesorios son similares a los aspersores y se utilizan para el riego se zonas más estrechas; por lo general la presión del agua va a depender del paso que se le de a la misma ya que este modelo tiene una especie de tornillo en el extremo de su boquilla que lo regula manualmente, volviéndolo muy eficiente. 9.1.3.3.. Riego Subterráneo. El sistema de riego en invernaderos de tipo subterráneo es el método más empleado en estos días. Este sistema de riego se trata de perforaciones en las tuberías que son enterradas a una determinada profundidad, más o menos entre 10 y 50 CMS. Esto va a depender de si el suelo es más arcilloso o arenoso. Una de las ventajas que posee este sistema de riego es que al no estar expuesto al aire es mucho más estético y además produce una perdida menor de agua. El inconveniente que más se repite es que si la instalación del sistema de riego en invernadero no se encuentra bien hecha, produce que se tapen los puntos de salida especialmente por la cal, y muchas veces también las raíces se agolpan en las tuberías. Esto se evita con cualquier herbicida.. 22.

(33) 9.1.3.4.. Riego con manguera. El sistema de riego en invernaderos a través del uso de la manguera no es muy recomendable para los invernaderos ya que al ser un sistema manual la persona encargada debe dedicar mucho tiempo a esta actividad, además nunca se consigue una uniformidad óptima debido a que cae agua en algunos lugares más que en otros. Si se va a utilizar una manguera hay que tener en cuenta adquirir aquellas fabricadas con algún material que no se doble debido a que los dobleces o pliegues interrumpen el paso del agua y dificultan la movilidad del individuo. 9.1.3.5.. Riego por goteo. Este sistema de riego en invernaderos se utiliza para localizar el agua al pie de cada planta. Existen dos modelos, los integrados y de botón. Los primeros se encuentran en la misma tubería, mientras que los de botón se aplican en la tubería. Generalmente los más utilizados son los Integrados no autocompensantes ya que son los más fáciles de conseguir y su precio es mucho más accesible. Este sistema de riego en invernaderos tiene como ventaja el ahorro de grandes cantidades de agua y además mantiene un nivel de humedad constante en el suelo sin provocar charcos ni estancamientos de agua. También mediante este sistema se puede utilizar agua salina ya que el agua salina aporta un extra de agua para lavar las sales en zonas mucho más profundas yendo por debajo de las raíces. También permite la aplicación de fertilizantes disueltos que van directamente a la planta; el inconveniente típico que encontramos en este sistema de riego es que se atasca con mucha facilidad por lo que necesita un buen filtrado [7]. 9.1.3.6.. Riego con electroválvulas. Existen muchos tipos de riegos con electroválvulas, como por ejemplo las de Control Volumétrico. Estas válvulas para poder funcionar no necesitan de la electricidad, pero, a pesar de eso, su forma de funcionar se encuentra muy limitada a poder suministrar las cantidades de agua que se deben, según dicte el operador, cosa que se predetermina en el momento anterior a que se comience con el riego. En este tipo de riego con electroválvulas una vez que se entregue la cantidad de agua que se debía, el riego se da por finalizado, junto con el programa. Si se quiere recargar nuevamente, 23.

(34) de tendrá que volver a programar la válvula. Ya que con este tipo de riego con electroválvulas se puede solamente controlar o dar una cantidad de agua a una sola zona de riego, que se encuentra diseñada para una cantidad de caudal determinada. También se encuentra el riego con electroválvulas controladas eléctricamente. Las cuales tienen una cantidad de modelos más variada que la anterior, dependiendo de las necesidades que se tengan en cuanto al riego, clasificándolas en dos grupos básicos: Válvulas eléctricas Auto programables, y Válvulas eléctricas Solenoides [8].. 9.2.. Fundamento conceptual. 9.2.1. Arduino UNO El Arduino Uno es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega328 (ficha técnica). Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un resonador cerámico 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un header ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador, simplemente conectarlo a un ordenador con un cable USB, o alimentarla con un adaptador de corriente AC a DC para empezar. El Uno se diferencia de todas las placas anteriores en que no utiliza el chip controlador de USB a serial FTDI. En lugar de ello, se cuenta con el Atmega16U2 (Atmega8U2 hasta la versión R2) programado como convertidor USB a serie. Posee nuevas características: - 1.0 pinout: añadido pines SDA y SCL cerca al pin AREF y otros dos nuevos pernos colocados cerca del pin RESET, el IOREF que permiten a los escudos para adaptarse al voltaje suministrado desde la pizarra. En el futuro, los escudos serán compatibles tanto con la junta que utiliza el AVR, que funciona con 5V y con el Arduino Debido que opera con 3.3V. El segundo es un pin no está conectado, que se reserva para usos futuros. - El circuito RESET es más fuerte. - ATmega 16U2 reemplaza el 8U2.. 24.

(35) "Uno" significa uno en italiano y es nombrado para conmemorar el próximo lanzamiento de Arduino 1.0. El Uno y la versión 1.0 será la versión de referencia de Arduino, moviéndose hacia adelante. El Uno es el último de una serie de placas Arduino USB y el modelo de referencia para la plataforma Arduino, para una comparación con las versiones anteriores, consulte el índice de la placa Arduino.. Microcontroladores. ATmega328. Tensión de funcionamiento. 5V. Voltaje. de. entrada. (recomendado). 7-12V. Voltaje de entrada (límites). 6-20V. Digital I / O Pins. 14 (de los cuales 6 proporcionan PWM). Pines de entrada analógica. 6. Corriente continua para las E / S Pin Corriente de la CC para Pin 3.3V Memoria Flash. 40 mA. 50 mA 32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque. SRAM. 2 KB (ATmega328). EEPROM. 1 KB (ATmega328). Velocidad del reloj. 16 MHz Tabla 10.1. Propiedades de la tarjeta Arduino UNO.. 25.

(36) 9.2.1.1.. Potencia. El Arduino Uno puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. La fuente de alimentación se selecciona automáticamente. Externa (no USB) de potencia puede venir con un adaptador de AC-DC (pared-verruga) o la batería. El adaptador se puede conectar al conectar un centro positivo enchufe de 2,1 mm en el conector de alimentación de la placa. Conduce de una batería se pueden insertar en los encabezados pin GND y Vin del conector de alimentación. La tarjeta puede funcionar con un suministro externo de 6 a 20 voltios. Si se proporcionan menos de 7V, no obstante, el pin de 5V puede suministrar menos de cinco voltios y la junta puede ser inestable. Si se utiliza más de 12V, el regulador de voltaje se puede sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12 voltios. Los pines de alimentación son como sigue: VIN. La tensión de entrada a la placa Arduino cuando se trata de utilizar una fuente de alimentación externa (en contraposición a 5 voltios de la conexión USB o de otra fuente de alimentación regulada). Usted puede suministrar tensión a través de este pin, o, si el suministro de tensión a través de la toma de poder, acceder a ella a través de este pin. 5V. Este pin como salida una 5V regulado por el regulador en el tablero. El tablero puede ser alimentado ya sea desde el conector de alimentación de CC (7 - 12), el conector USB (5V) o el pasador de VIN del tablero (7-12V). El suministro de tensión a través de los 5V o 3.3V pins no pasa por el regulador, y puede dañar su tablero. No aconsejamos ella. 3V3. Un suministro de 3,3 voltios generados por el regulador a bordo. El drenaje actual máximo es de 50 mA. GND. Patillas de tierra. IOREF. Este pin de la placa Arduino proporciona la referencia de tensión con la que opera el microcontrolador. Un escudo configurado puede leer el voltaje pin IOREF y seleccione la fuente de alimentación adecuada o habilitar traductores tensión en las salidas para trabajar con los 5V o 3.3V. 26.

(37) 9.2.1.2.. Memoria. El ATmega328 tiene 32 KB (con 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque). También dispone de 2 KB de SRAM y 1 KB de EEPROM (que puede ser leído y escrito con la librería EEPROM ). 9.2.1.3.. Entrada y salida. Cada uno de los 14 pines digitales en el Uno se puede utilizar como una entrada o salida, utilizando pinMode () , digitalWrite () , y () digitalRead funciones. Operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una resistencia de pull-up (desconectado por defecto) de 20-50 kOhms. Además, algunos pernos han especializado funciones: - Serie: 0 (RX) y 1 (TX) : Se utiliza para recibir (RX) y transmisión (TX) TTL datos en serie.. Estos pines están conectados a los pines correspondientes de la USB-to-TTL de chips de serie ATmega8U2. - Interrupciones externas 2 y 3: Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o un cambio en el valor. Ver el attachInterrupt () función para más detalles. PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11: Proporcionan PWM de 8 bits con el () analogWrite función. SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Estos pines soportan comunicación SPI utilizando la biblioteca de SPI. LED 13: Hay un built-in LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin es de alto valor, el LED está encendido, cuando el pasador es bajo, es apagado. El Uno tiene 6 entradas analógicas, etiquetados A0 a A5, cada uno de los cuales proporcionan 10 bits de resolución (es decir, 1.024 valores diferentes). Por defecto se miden desde el suelo a 5 voltios, aunque es posible cambiar el extremo superior de su rango utilizando el pin AREF y la analogReference () función. Además, algunos pernos han especializado funcionalidad:. 27.

(38) TWI: A4 o pin SDA y la comunicación A5 o pin SCL Apoyo TWI mediante Wire. Hay un par de otras patas de la placa: AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Se utiliza con analogReference(). Reset. Para reiniciar el microcontrolador. Normalmente se utiliza para agregar un botón de reinicio para escudos que bloquean el uno en el tablero. 9.2.1.4.. Comunicación. El Arduino Uno tiene una serie de instalaciones para la comunicación con un ordenador, otro Arduino, u otros microcontroladores. El ATmega328 ofrece UART TTL (5V) de comunicación en serie, que está disponible en los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX). Un ATmega16U2 en los canales de mesa esta comunicación serie a través de USB y aparece como un puerto COM virtual para el software en el ordenador. El firmware '16U2 utiliza los controladores COM USB estándar, y no se necesita ningún controlador externo. El software de Arduino incluye un monitor de serie que permite que los datos simples de texto que se envían desde y hacia la placa Arduino. Los LEDs RX y TX de la placa del parpadearán cuando se están transmitiendo datos a través del chip de USB a serie y conexión USB al ordenador (pero no para la comunicación en serie en los pines 0 y 1). Una biblioteca SoftwareSerial permite la comunicación en serie en cualquiera de los pines digitales de la ONU. El ATmega328 también es compatible con I2C (TWI) y la comunicación SPI. El software de Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso del bus I2C. Para la comunicación SPI, utiliza la biblioteca de SPI.. 28.

(39) 9.2.1.5.. Programación. El Arduino Uno se puede programar con el software de Arduino. Los ATmega328 en la Arduino Uno viene precargado con un gestor de arranque que le permite subir un código nuevo a ella sin el uso de un programador de hardware externo. Se comunica utilizando el protocolo original STK500. También puede pasar por alto el gestor de arranque y programar el microcontrolador a través del ICSP (In-Circuit Serial Programming. El ATmega16U2 (o 8U2 en el rev1 y tableros Rev2) código fuente del firmware disponible. El ATmega16U2 / 8U2 se carga con un cargador de arranque DFU, que puede ser activado por: En las placas Rev1: conectar el jumper de soldadura en la parte posterior del tablero y luego reiniciar el 8U2. En las placas Rev2 o posteriores: hay una resistencia que tirando de la línea 8U2/16U2 HWB a tierra, por lo que es más fácil de poner en modo DFU. Puede utilizarse el software de Atmel FLIP (Windows) o el programador DFU (Mac OS X y Linux) para cargar un nuevo firmware. O puede utilizar el encabezado de ISP con un programador externo (sobrescribir el gestor de arranque DFU). 9.2.1.6.. Software Reset automático. En lugar de exigir una prensa físico del botón de reinicio antes de que una carga, la Arduino Uno está diseñado de una manera que permite que pueda ser restablecido por el software que se ejecuta en un ordenador conectado. Una de las líneas de control de flujo de hardware (DTR) de la ATmega8U2 / 16U2 está conectado a la línea de restablecimiento de los ATmega328 mediante un condensador de 100 nanofarad. Cuando esta línea se afirma (tomado bajo), la línea de restablecimiento pasa el tiempo suficiente para restablecer el chip. El software de Arduino utiliza esta capacidad que le permite cargar código con sólo pulsar el botón de subida en el entorno Arduino. Esto significa que el gestor de arranque puede tener un. 29.

(40) tiempo de espera más corto, ya que el descenso de DTR puede ser bien coordinado con el inicio de la subida. Para el siguiente medio segundo o menos, el gestor de arranque se está ejecutando en la ONU. Mientras que está programado para ignorar datos malformados (es decir nada, además de un proceso de carga de nuevo código), se interceptará los primeros bytes de datos enviados a la tarjeta después de abrir una conexión. Si un funcionamiento boceto en el tablero recibe la configuración de una sola vez o de otro tipo de datos cuando se inicia por primera vez, asegúrese de que el software con el que se comunica espera un segundo después de abrir la conexión y antes de enviar estos datos. El Uno contiene una traza que se puede cortar para desactivar el reinicio automático. Las almohadillas a ambos lados de la traza se pueden soldar juntos para volver a habilitarlo. Ha marcado "RESET-ES". También puede ser capaz de desactivar el reinicio automático mediante la conexión de una resistencia de 110 ohm de 5V a la línea de reinicio, véase este hilo del foro para más detalles. 9.2.1.7.. Relé de protección multifunción USB. El Arduino Uno tiene una POLYFUSE reajustable que protege los puertos USB de su ordenador desde pantalones cortos y sobrecorriente. Aunque la mayoría de los ordenadores proporcionan su propia protección interna, el fusible proporciona una capa adicional de protección. Si hay más de 500 mA se aplica al puerto USB, el fusible se romperá automáticamente la conexión hasta que se elimine la sobrecarga a corto o. 9.2.1.8.. Características físicas. La longitud y la anchura del PCB Uno máxima son de 2,7 y 2,1 pulgadas, respectivamente, con el conector USB y el conector de alimentación que se extiende más allá de la dimensión anterior. Cuatro orificios de los tornillos que la Junta pueda fijarse a una superficie o caja. Tenga en cuenta que la distancia entre los pines digitales 7 y 8 es de 160 milésimas de pulgada (0,16 "), no un múltiplo par de la separación de 100 milésimas de pulgada de los otros pasadores [9].. 30.

(41) Figura 10.1. Arduino Uno R3 (Vista frontal). Figura 10.2. Arduino Uno R3 (Visto por detrás). 31.

(42) 9.2.2. Arduino Ethernet Shield La Arduino Ethernet Shield permite a una placa Arduino conectarse a internet. Está basada en el chip ethernet Wiznet W5100 (datasheet). El Wiznet W5100 provee de una pila de red IP capaz de TCP y UDP. Soporta hasta cuatro conexiones de sockets simultáneas. Usa la librería Ethernet para escribir programas que se conecten a internet usando la shield. La ethernet shield dispone de unos conectores que permiten conectar a su vez otras placas encima y apilarlas sobre la placa Arduino. (Ver la siguiente imagen). Figura 10.3. Arduino Modulo Shield W5100 montado sobre Arduino UNO. 32.

(43) Microcontroladores. ATmega328. Tensión de funcionamiento. 5V. Plug. Voltaje. de. entrada. (recomendado). 7-12V. Plug Voltaje de entrada (límites). 6-20V. Voltaje de entrada PoE (límites). 36-57V. Digital I / O Pins. 14 (de los cuales 4 para salidas PWM). Arduino Pasadores reservados: 10 a 13 se utiliza para SPI 4 utilizado para la tarjeta SD 2 W5100 de interrupción (cuando puenteado) Pines de entrada analógica Corriente continua para las E / S Pin Corriente de la CC para Pin 3.3V Memoria Flash. 6 40 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque. SRAM. 2 KB (ATmega328). EEPROM. 1 KB (ATmega328). Velocidad del reloj. 16 MHz. Controlador Ethernet W5100 TCP / IP Embedded Power Over Ethernet Jack Tarjeta Micro SD con adaptadores activos Tabla 10.2. Propiedades de tarjeta Arduino Módulo Shield W5100. 33.

(44) Arduino usa los pines digitales 10, 11, 12, y 13 (SPI) para comunicarse con el W5100 en la ethernet shield. Estos pines no pueden ser usados para e/s genéricas. La shield provee un conectore ethernet estándar RJ45 El botón de reset en la shield resetea ambos, el W5100 y la placa Arduino. La shield contiene un número de LEDs que son los siguientes: PWR: Indica que la placa y la shield están alimentadas LINK: Indica la presencia de un enlace de red y parpadea cuando la shield envía o recibe datos FULLD: Indica que la conexión de red es full duplex 100M: Indica la presencia de una conexión de red de 100 Mb/s (de forma opuesta a una de 10Mb/s) RX: Parpadea cuando la shield recibe datos TX: Parpadea cuando la shield envía datos COLL: Parpadea cuando se detectan colisiones en la red El jumper soldado marcado como "INT" puede ser conectado para permitir a la placa Arduino recibir notificaciones de eventos por interrupción desde el W5100, pero esto no está soportado por la librería Ethernet. El jumper conecta el pin INT del W5100 al pin digital 2 de Arduino. La Ethernet se diferencia de otras placas, ya que no tiene un chip integrado controlador de USB a serie, pero tiene una interfaz Wiznet Ethernet. Esta es la misma interfaz que se encuentra en el escudo de Ethernet. Un lector de tarjetas microSD a bordo, que se puede utilizar para almacenar archivos para servir a través de la red, se puede acceder a través de la Biblioteca SD. Pin 10 se reserva para la interfaz Wiznet, SS para la tarjeta SD está en el pin 4.. 34.

(45) El encabezado de programación en serie de 6 pines es compatible con la serie USB adaptador y también con los cables USB FTDI o con Sparkfun y tableros Adafruit estilo FTDI básicos de USB a serial de ruptura. Cuenta con soporte para rearme automático, permitiendo bocetos que se cargan sin necesidad de pulsar el botón de reinicio en el tablero. Cuando se conecta a un adaptador USB a serie, el Arduino Ethernet es alimentado por el adaptador. 9.2.2.1.. Características físicas. La longitud y la anchura de la placa Ethernet máximo son 2,7 y 2,1 pulgadas, respectivamente, con el conector RJ45 y conector de alimentación que se extiende más allá de la primera dimensión [10].. Figura 10.4. Arduino Ethernet Shield (Vista frontal).. 35.