_____________________________________________________________________________ *Diego Enrique Rojas López. Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected]**Yeison Stiven Bermúdez Luna. Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected]***Dora Lilia Castañeda Tibaquira. Profesor en la Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected]SISTEMA DE RIEGO PARA CONTROL Y SUPERVISIÓN DE CULTIVO DE ESPINACA IRRIGATION SYSTEM FOR CONTROL AND SUPERVISION OF SPINACH CULTIVATION D. Rojas* Y. Bermúdez** D. Castañeda*** Resumen: Un gran problema que afecta la agricultura en Colombia es el mal manejo del recurso hídrico, este proyecto tiene como finalidad implementar un sistema de riego para control y supervisión de un cultivo de espinaca. Para eso se implementó sensores de temperatura, humedad y PH en un punto del cultivo, con el fin de adquirir estos datos de los sensores para poder mostrarlos en una página web y desde allí tomar decisiones de activación y desactivación del sistema riego. Con este proyecto se busca contribuir a un mejor manejo de las verdaderas necesidades de las plantas, para así tener una mayor eficiencia calidad y productividad en los cultivos de espinaca. Palabras Claves: Sistema de riego, internet de las cosas (IoT), comunicación inalámbrica, cultivo, sensor, automatización.
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_____________________________________________________________________________ *Diego Enrique Rojas López. Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected] **Yeison Stiven Bermúdez Luna. Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected] ***Dora Lilia Castañeda Tibaquira. Profesor en la Universidad Distrital, Colombia. E-mail: [email protected]
SISTEMA DE RIEGO PARA CONTROL Y SUPERVISIÓN DE CULTIVO DE
ESPINACA
IRRIGATION SYSTEM FOR CONTROL AND SUPERVISION OF SPINACH
CULTIVATION
D. Rojas* Y. Bermúdez** D. Castañeda***
Resumen:
Un gran problema que afecta la agricultura en Colombia es el mal manejo del
recurso hídrico, este proyecto tiene como finalidad implementar un sistema de riego
para control y supervisión de un cultivo de espinaca. Para eso se implementó
sensores de temperatura, humedad y PH en un punto del cultivo, con el fin de
adquirir estos datos de los sensores para poder mostrarlos en una página web y
desde allí tomar decisiones de activación y desactivación del sistema riego. Con
este proyecto se busca contribuir a un mejor manejo de las verdaderas necesidades
de las plantas, para así tener una mayor eficiencia calidad y productividad en los
cultivos de espinaca.
Palabras Claves:
Sistema de riego, internet de las cosas (IoT), comunicación inalámbrica, cultivo,
sensor, automatización.
Abstrac:
A major problem affecting agriculture in Colombia is the mismanagement of water
resources, this project aims to implement an irrigation system for control and
supervision of spinach cultivation. For this purpose, temperature, humidity and PH
sensors will be distributed throughout the crop, in order to acquire these data from
the sensors so that they can be displayed on a web page and from there make
decisions to activate and deactivate the irrigation system. This project seeks to
contribute to a better management of the real needs of the plants, in order to have
greater efficiency, quality and productivity in the spinach crops.
Key Words:
Irrigation system, internet of things (IoT), wireless communication, cultivation,
sensor, automation.
1. Introducción:
El sector agropecuario y particularmente la agricultura en Colombia han sido y
continúan siendo parte de los pilares fundamentales de la economía, planteando
que la sociedad está constantemente en crecimiento, la agricultura esta
demandada en forma proporcional a ofrecer productos alimenticios nutracéuticos y
sanos. La ONU a través del estudio “Evaluación de los ecosistemas del milenio”,
establece que el 60% de los ecosistemas que hacen posible la vida en la tierra,
están siendo degradados o utilizados de manera no sostenible. [1]
Este trabajo busca impulsar la agricultura en cultivos de espinaca con la
implementación de un sistema de control que permita monitorear por medio de
sensores las variables de temperatura, humedad y PH.
MARCO TEORICO
2. Internet de las cosas (IoT):
Es un concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos por
medio del internet. Alternativamente, internet de las cosas es la conexión de internet
con más cosas u objetos que con personas, también se suele conocer como
internet en las cosas. [2]
2.1. Node-Red:
Node-Red en su forma más simple es un editor visual de código abierto para
conectar el internet de las cosas producidas por IBM (ver figura 1). El sistema
contiene “Nodos” que son simples iconos que se arrastran y sueltan en la interfaz,
cada Nodo ofrece una funcionalidad diferente y se pueden configurar según lo que
se necesite. [3]
Figura 1: Conexión de nodos en Node-RED [3]
3. Comunicación Bluetooth:
Bluetooth es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica,
que posibilita la transmisión entre diferentes equipos mediante un enlace por radio
frecuencia. Las principales tareas que el dispositivo bluetooth pretende es facilitar
las comunicaciones entre dispositivos fijos y móviles, eliminar conexiones como lo
son los cables y ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas. [4]
4. Sensor de temperatura y humedad
Estos sensores miden la temperatura y humedad del aire. Para reducir costos,
estos sensores se utilizan normalmente combinados. La humedad no influye
directamente en el cálculo de las capacidades de producción de energía eólica de
un emplazamiento, pero ayuda a conocer las posibilidades de congelación en la
zona. [5]
El sensor de temperatura y Humedad DHT11 (ver figura 2) es un sensor con una
salida de señal digital. Ofrece excelente estabilidad y fiabilidad a largo plazo. Este
sensor incluye una medición de humedad de tipo resistivo. [6]
Figura 2: DHT11. [7]
4.1. Sensor de PH
El PH es una manera de cuantificar cuan ácida o básica es una solución. Es un
indice logaritmico de la consentración de iones de hidrógeno en una solución
acuosa. El agua pura tiene un valor de PH de 7, los valores situados por debajo de
este valor se consideran ácidos.[8] Un ejemplo de este sensor se puede ver en la
figura 3.
Figura 3: Sensor de PH.
5. Válvulas
Es un instrumento de regulación y control de fluido, es decir, es un dispositivo
mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación de líquidos o
gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno
o más orificios o conductores. [9] La electroválvula que se va utilizar se puede ver
en la figura 4.
Figura 4: Electroválvula.
6. Raspberry pi3
Es un pequeño ordenador personal diseñado como una herramienta para el
aprendizaje de programación de computadores y el diseño de sistemas electrónicos
digitales. El diseño se centra en un solo microprocesador con la RAM, E/S y todas
las demás características de un computador funcional en una sola tarjeta (ver figura
5). [10]
Figura 5: Raspberry Pi 3.
DESARROLLO DEL PROYECTO
Para su correcto funcionamiento el proyecto tiene unas etapas que siguen cierto
orden desde la obtención de datos de los sensores hasta una interfaz web. Se
diseñó un diagrama de bloques que se puede analizar en la figura 6.
Figura 6: Diagrama de bloques
1. OBTENCIÓN DE VARIABLES
En esta etapa se hace la captura de los datos y medidas tomadas por los sensores
de PH (Sensor de PH para Arduino), temperatura y humedad (DHT11) en el cultivo
de espinaca, por medio del Arduino UNO el cual esta alimentado por unas pilas
recargables para su funcionamiento autónomo (ver figura 7).
Figura 7: circuito de sistema de sensado.
Ya teniendo los datos de los sensores se procede a comunicarlos vía Bluetooth
a la Raspberry por medio del módulo Bluetooth HC-06.
Figura 8: Diagrama de obtención de datos.
2. TRANSMISIÓN DE DATOS
Esta parte es la encargada de la comunicación vía Bluetooth entre el Arduino UNO
y la Raspberry Pi 3 con el módulo HC-06, la cual va a enviar las variables
capturadas por los sensores en el cultivo, esto se realiza haciendo la siguiente
configuración en la Raspberry Pi 3 para el reconocimiento del módulo (ver figura 9).
Figura 9: Reconocimiento Módulo Bluetooth
Al realizar estas líneas de código y colocar el serial del HC-06 en el hyperterminal,
la Raspberry reconoce el módulo Bluetooth HC-06 como se puede evidenciar en la
figura 10.
Figura 10: Serial del módulo Bluetooth.
A continuación se hace la configuración del cutecom para finalizar la
comunicación y poder visualizar las variables de temperatura, humedad y PH ya
en la Raspberry, para poder ingresar al cutecom se procede a escribir en el
hyperterminal la palabra “cutecom” y con esto se abre una pestaña la cual
muestra los datos recibidos del Arduino vía Bluetooth. (Ver figura 11).
Figura 11: Visualización de las variables en la Raspberry.
3. ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE DATOS
En esta etapa se realiza la parametrización de las variables recibidas y el control
de las válvulas. Esto se realizó en Node Red la cual es una aplicación del Internet
de las cosas (IoT). Se instala Node Red en la Raspberry y se hace la respectiva
inicialización de la aplicación.
Al inicializar Node-RED en el hyperterminal nos muestra un link de acceso para
realizar la respectiva programación para parametrizar las variables y realizar el
control de las válvulas con los parámetros asignados. Para la programación se
arrastra una entrada serial la cual se conecta a los nodos de las funciones que sería
cada una de las variables de temperatura, humedad y PH (ver figura 15). Así mismo
se hace la conexión de los nodos que van a activar las válvulas y se crean los
botones para las mismas.
Figura 12: Conexión de los nodos
Al conectar cada uno de los nodos se continúa con la programación de las funciones
las cuales se organizan y se hace una comparación con cada una de las variables
medidas.
Ya teniendo los valores de las variables se continúa con la asignación de los
parámetros que se deben utilizar para el control de las válvulas los cuales van
ligados con las variables de Humedad y PH y son las siguientes:
Para la válvula de agua: Sí Humedad < 50%
Para la válvula de nutrientes: Sí PH < 7
Estos parámetros se incorporan debido a que son los porcentajes necesarios para
que la planta crezca de una manera óptima. [11]
El parámetro del PH se modificó a <7 ya que el sensor tenía una desviación de 1%.
Figura 13: Diagrama de riego.
Con la programación lista para que las electroválvulas se puedan activar ya que
funcionan a 24V se añadió una fuente elevadora CN6009 (ver figura 15) que va
conectada a los puertos COM de un Relay (ver figura 14), las salidas de los puertos
GPIO 16 y 18 se conectaron a las entradas 1 y 2 del Relay y las válvulas se
conectaron a los puertos NO1 y NO2 para su respectiva activación cuando haya un
cambio de estado en los puertos GPIO.
Figura 14: Módulo Relay.
Figura 15: Fuente elevadora CN6009
4. INTERFAZ DE USUARIO
Esta última parte consta de una interfaz que permitirá visualizar el estado de las
variables de temperatura, humedad y PH, y así mismo se podrá activar o desactivar
las salidas de las válvulas. Esto se hizo conectando unos nodos a las salidas de las
funciones, los cuales son tableros y pines como se muestra en la figura 16.
Figura 16: Conexión de los tableros y pines.
Al terminar de conectar los nodos se ingresa al link el cual contiene la interfaz
creada en Node-RED (ver figura 17) y se podrá visualizar los estados de las
variables y los de las válvulas.
Figura 17: Interfaz de usuario.
MONTAJE DE CAMPO
Con el prototipo funcionando se procede a hacer el montaje en el cultivo. Este
sistema está diseñado para un cultivo de alrededor de 16 metros cuadrados por el
alcance del módulo Bluetooth, en este caso el sistema de sensado se ubicó en una
planta que estaba aproximadamente a la mitad del cultivo.
Figura 18: Montaje sistema de sensado.
16m
16m
Figura 19: Ubicación y dimensiones del sistema.
La parte de las electroválvulas y la Raspberry se encuentran a ocho metros de los
sensores la Raspberry se encuentra conectada directamente a una toma de
corriente y las electroválvulas tienen acopladas unas mangueras que se encargan
del riego del cultivo (Figuras 20 y 21).
Figura 20: Montaje electroválvulas.
Sistema de
sensado
8m Raspberry
Electroválvulas
Figura 21: Acople de mangueras.
PRUEBAS Y RESULTADOS
Para asegurar que el sistema funcionaba correctamente se hizo un monitoreo de
las variables cada 15 minutos durante 5 horas obteniendo los siguientes resultados
