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DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE DEFENSA CONTRA LAS HELADAS APLICABLE A UN CULTIVO DE PAPA EN EL ALTIPLANO

CUNDIBOYACENSE, EMPLEANDO TELEMETRÍA

NIDIA PAOLA RAMIREZ BUITRAGO

Documento final para optar por el titulo de pregrado en Ingeniera de Telecomunicaciones, modalidad de semilleros de investigación.

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES

BOGOTÁ

2012

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DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE DEFENSA CONTRA LAS HELADAS APLICABLE A UN CULTIVO DE PAPA EN EL ALTIPLANO

CUNDIBOYACENSE, EMPLEANDO TELEMETRÍA

NIDIA PAOLA RAMIREZ BUITRAGO

Documento final para optar por el titulo de pregrado en Ingeniera de Telecomunicaciones, modalidad de semilleros de investigación.

Tutor del proyecto de investigación:

Nelson Forero

Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES

BOGOTÁ

2012

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CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN 8 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 9 1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 9 2. OBJETIVOS 11 2.1. OBJETIVO GENERAL 11 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11 3. JUSTIFICACIÓN 11 4. MARCO REFERENCIAL 13 4.1. MARCO DE ANTECEDENTES 13 4.2. ESTADO ACTUAL 14 4.3. MARCO CONCEPTUAL 14 5. DELIMITACION 15 6. DISEÑO METODOLÓGICO 15 6.1. HIPÓTESIS 15 6.2. TIPO DE INVESTIGACIÓN 15 6.3. PLAN DE TRABAJO 16 7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DESARROLLADO DENTRO DEL 17

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

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7.1. TIPOS DE HELADAS EXISTENTES Y CÓMO SE IDENTIFICA SU 18

PRESENCIA 7.2. MÉTODOS DE DEFENSA CONTRA LAS HELADAS, APLICABLES A UN 18

CULTIVO DE PAPA 7.3. SISTEMA DE TELEMETRÍA 22 7.4. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE 23

DEFENSA CONTRA HELADAS 7.4.1. Circuito transmisor 24 7.4.2. Circuito receptor 27 8. PRODUCTOS ACADÉMICOS DESARROLLADOS DURANTE EL 29

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN 9. CONCLUSIONES Y RESULTADOS OBTENIDOS 30 BIBLIOGRAFÍA 32 ANEXOS 35

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Sistema actual de defensa contra las heladas 8 Figura 2. Sistema automático de defensa propuesto 10 Figura 3. Distribución del sistema anti heladas en un cultivo 23 Figura 4. Diagrama de bloques circuito transmisor 23 Figura 5. Medición y comparación de la temperatura. Simulación realizada en 24 el software Circuit Maker 2000. Figura 6. Medición y comparación de la temperatura, temperatura ambiente 25 menor que valor predeterminado. Simulación con el software Circuit Maker 2000. Figura 7. Diagrama de bloques circuito receptor. 27 Figura 8: Simulación circuito receptor y activación electroválvula con el 27 software Circuit Maker 2000

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RESUMEN

En la actualidad son muchos los problemas a los que se enfrentan los agricultores colombianos, entre ellos se encuentran las plagas, y los daños causados por fenómenos climáticos como las inundaciones, las seguías y las heladas. Todos ellos de forma individual, constituyen una amenaza latente para la economía de todas las familias y poblaciones dedicadas a la agricultura, puesto que pueden ocasionar pérdidas millonarias de forma inesperada. En efecto, de acuerdo con Cárdenas, “las heladas en el país y específicamente en el altiplano Cundiboyacense, son sinónimo de pérdidas económicas periódicas en cultivos de cereales, papa, pastos, etc.”1; del mismo modo, según lo indicado por la federación colombiana de productores de papa – FEDEPAPA: “las heladas fuertes que azotaron las planicies de Nariño y Antioquia, al igual que en el altiplano Cundiboyacense a finales de 1995, causaron la destrucción de cerca del 70% de la cosecha de papa, lo cual representó, tan sólo para el Departamento de Nariño, una pérdida de aproximadamente 56.000 millones de pesos”.2 Por lo anterior, cada vez son más los proyectos que se observan para tratar de dar solución a todos estos problemas, en particular al daño ocasionado por las heladas, como es el caso del sumidero invertido selectivo (SIS) creado en Uruguay por el doctor Rafael Guarga3 y la aplicación de poliaminas en la protección de papa criolla contra las heladas, desarrollada por Norato y Romero4; por ello, surge el presente proyecto que pretende acercar un poco más la tecnología y ponerla al servicio de la sociedad planteando una solución a ésta problemática, que no requiera la presencia del campesino o agricultor, para ser activada, es decir, una solución automática.

1 CARDENAS ROCHA. Edgar Alberto. Alternativas Forrajeras para clima frío en

Colombia. Página 7.

2 FEDEPAPA Informe Anual Fedepapa. Santafé de Bogotá. 1995. Citado por: NORATO Jesús y ROMERO Hernán. Acción de las poliaminas en la protección de papa criolla (Solanum phureja-ec. “Yema de Huevo”) contra las heladas. Página 2. 3LABORDE. Gustavo. El enemigo del frio, Servicio Informativo Iberoamericano.

Montevideo Uruguay: Marzo, 1999. Internet

(http://www.oei.org.co/sii/entrega11/art05.htm)

4 NORATO Jesús y ROMERO Hernán. Acción de las poliaminas en la protección

de papa criolla (Solanum phureja-ec. “Yema de Huevo”) contra las heladas.

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Es así como este documento presenta una alternativa de solución para el daño ocasionado por las heladas a los cultivos, en particular al cultivo de papa, haciendo uso de la telemetría para aplicar uno de los métodos de defensa existentes para controlar este problema. De esta forma, sin requerir la presencia del campesino o agricultor en el momento en que se presenta la helada, se aplicará el método de defensa seleccionado para proteger las plantas, y de esta forma evitar las cuantiosas pérdidas a las que se da lugar cuando las plantas pierden su potencial de producción a raíz de los daños en sus tejidos ocasionados por las heladas.

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INTRODUCCIÓN La helada es un fenómeno climático que se presenta con frecuencia en horas de la madrugada, ésta causa daños capaces de ocasionar muerte a las plantas y con ello pérdidas millonarias al afectar negativamente los cultivos. La papa por su parte, de acuerdo con lo indicado por Norato y Romero5, y por Aldabe y Dogliotti6, es un cultivo sensible a las heladas, y en diversas ocasiones se han presentado pérdidas parciales y totales a los cultivos de papa, que se traducen en pérdidas económicas para los agricultores. De acuerdo con la guía ambiental para el cultivo de la papa, elaborada por el ministerio de agricultura y la asociación colombiana de productores de papa7, en los departamentos de Cundinamarca y Boyacá, se reúne la mayor área de papa sembrada en el país, y en éstos departamentos existen posibilidades de heladas en los meses de Diciembre a Febrero. En efecto dada la posibilidad de la presencia de heladas, y el daño ocasionado por estas, ya existen diferentes métodos de defensa contra las mismas, algunos aplicados antes del fenómeno y otros durante la presencia de éste para evitar que las plantas se vean afectadas; sin embargo, estos métodos aún dependen de la presencia en el lugar del agricultor; por ello, este documento presenta el diseño de un sistema automático de defensa contra las heladas que hace uso de uno de los métodos de defensa ya existentes, que es aplicado en el momento indicado para prevenir el daño a los cultivos, haciendo uso de un sistema de telemetría. En este sentido, el documento presenta, la forma en que se desarrolla el proyecto para elaborar el diseño, partiendo de la identificación de las heladas, pasando por el conocimiento de los métodos de defensa existentes, la identificación del sistema de telemetría óptimo para la solución y concluyendo en el diseño y simulación final del sistema automático de defensa. De igual forma, ofrece una descripción del proceso y los productos desarrollados dentro del proceso de investigación, llevado a cabo en el semillero de investigación SETEL en el cual se llevó a cabo el proyecto.

5 NORATO y ROMERO Op. Cit. Página 1.

6 ALDABE Luis y DOGLIOTTI Santiago. Bases fisiológicas del crecimiento y

desarrollo del cultivo de papa. Página 1.

7 FEDEPAPA, MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Guía ambiental para el cultivo de la papa. Bogotá, Mayo de 2004. Página 21.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los campesinos del altiplano Cundiboyacense y los departamentos de Nariño y Cauca, ven amenazada una de sus principales actividades económicas debido a la pérdida de cultivos ocasionada por las heladas. 1.1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA A lo largo del año es común escuchar o leer en las noticias que los agricultores pierden millones de pesos cuando sus cultivos se dañan a causa de una helada; por lo general, este fenómeno suele ocurrir en determinadas épocas del año, en especial en los municipios ubicados en el altiplano Cundiboyacense. Figura 1: Sistema actual de defensa contra heladas Fuente: Autor - NIDIA PAOLA RAMIREZ BUITRAGO

Existen diferentes tipos de heladas según su origen o aspecto, sin embargo todas ellas constituyen en lo mismo, de acuerdo con lo que dice Domínguez8: temperaturas demasiado bajas que causan diferentes daños o muerte a las plantas; por lo mismo, la presencia de una helada es fácilmente detectable haciendo uso de un sensor de temperatura y/o de humedad. El sistema actual puede verse en la figura 1. Actualmente, para contrarrestar los efectos de las heladas, existen varios métodos

de defensa, que pueden ser de carácter activo o pasivo. Entre los métodos

pasivos, de acuerdo como lo describe Larocca9 se pueden destacar la elección de

8 DOMÍNGUEZ ROJAS. Oscar. Las plantas y las heladas. 21 de Octubre de 2007. Internet (http://jardinactual.com/menu-revista-articulos/205-LAS_PLANTAS_Y_LAS_HELADAS) 9 LAROCCA. Silvia. Las Heladas. Internet

(http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/heladas.htm)

MÉTODO DE

DEFENSA CULTIVO

Temperaturas

extremas

(HELADAS) Agricultor

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variedades de plantas resistentes y de mayor altura, la selección de terrenos de

acuerdo con la sensibilidad de la especie a cultivar, y sembrar en determinadas

épocas del año, de acuerdo con las predicciones climatológicas. Sin embargo,

este fenómeno puede ocurrir en cualquier momento y es precisamente cuando

ocurre sorpresivamente que se da lugar a las millonarias pérdidas mencionadas,

que sin lugar a dudas se reflejan en los precios de los productos.

Por su parte, tal como indica Larocca10 los métodos activos son aquellos aplicados

en el momento de comenzar la helada o durante la misma y básicamente

consisten en evitar el enfriamiento. Entre ellos se destacan las cortinas de humo,

nubes o niebla, el calentamiento del aire que rodea la planta (que suelen hacer los

campesinos quemando llantas cerca de los cultivos), y la aspersión de agua

(sistema de riego).

Figura 2: Sistema automático de defensa propuesto Fuente: Autor-NIDIA PAOLA RAMIREZ BUITRAGO El riego por aspersión permite proteger los cultivos de las heladas puesto que “Se

basa en el hecho de que cada gramo de agua al congelarse desprende 80

calorías, una parte del calor es absorbido por la planta que, de esta forma puede

mantenerse a una temperatura fuera del peligro”11. Así un riego constante durante

el periodo de bajas temperaturas que mantenga sobre las plantas una cierta

10 IBID. Internet (http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/heladas.htm)

11 SERRANO. Javier Flórez. Agricultura ecológica Manual y guía didáctica.

España: Ediciones Mundiprensa, 2009. Página 75.

Temperaturas

extremas

(HELADAS)

SENSOR SISTEMA

TELEMETRIA SISTEMA

SOLUCION

CULTIVO MÉTODO DE

DEFENSA

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cantidad de agua en estado hielo, suficiente para cubrir la hoja, evitará que la

temperatura de la misma descienda a 0ºC.

Muchas de estas tareas pueden ser automatizadas y ejecutadas justo en el

momento en que el sensor empleado para detectar la helada lo indique, logrando

de esta forma, que el cultivo se encuentre protegido en el momento que la helada

se presente y se eviten posibles daños a las plantas.

Por todo lo anterior, dentro del marco de estudios del semillero SETEL del programa de ingeniería de telecomunicaciones, que tiene como una de sus líneas de investigación la aplicación de la telemetría en la agricultura, surgió como proyecto el diseño de un sistema automático de defensa contra las heladas aplicando telemetría. El sistema propuesto se puede observar en la figura 2.

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2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema automático de defensa contra las heladas, aplicable a un cultivo de papa en el altiplano Cundiboyacense, empleando el concepto de telemetría. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar qué tipo de heladas existen en un proceso agroindustrial.

Establecer cómo se puede identificar la presencia de una helada.

Conocer que métodos de defensa contra heladas existen para un cultivo de papa.

Seleccionar el método de defensa contra heladas óptimo para realizar un proceso de automatización, con base en un sistema electrónico de adquisición y transmisión de señales.

Identificar sistema de telemetría óptimo para la solución.

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3. JUSTIFICACIÓN En la actualidad cada vez es más común escuchar el termino telemetría; sin embargo, muy pocos podrían definir éste término y mucho menos conocen cuál es su objeto de estudio, en qué casos es posible hablar de este, o que aplicaciones tiene. Del mismo modo, la falta de dicho conocimiento, evita que se desarrollen proyectos para contribuir con la mejora de la calidad de vida y la optimización de los procesos a partir de la telemetría; sin embargo, hoy en día la medición y transmisión remota de variables físicas (Telemetría), constituye una temática coyuntural tecnológica de gran importancia en la áreas de la automatización y supervisión de los procesos industriales, domótica e inmótica, control y supervisión de procesos agroindustriales, prevención y control de desastres naturales, control de fauna silvestre, y telemedicina entre otros. En este sentido, considerando que el sector agroindustrial es uno de los pilares en la economía Colombiana (tan es así que en el año 2010 existían 4.905.456 hectáreas sembradas en el país12), y que tan sólo al finalizar el mes de Enero del año 2010, se reportaron daños y pérdidas en 3.705 hectáreas de papa, 1.593 hectáreas de maíz, 79 hectáreas de uchuva, y 235 hectáreas de mora, en el departamento de Boyacá13; se resalta la importancia de llevar a cabo un proyecto que permita dar solución a una problemática real existente como lo es el daño a los cultivos a causa de las heladas; siendo éste una de las principales causas de pérdidas en la agricultura. Por lo general, el fenómeno de las heladas suele ocurrir en determinadas épocas del año, por lo que uno de los métodos que emplean los agricultores, es sembrar en determinadas fechas; pero en realidad, este fenómeno puede ocurrir en cualquier momento y es precisamente cuando ocurre sorpresivamente que se da lugar a las millonarias pérdidas mencionadas, que sin lugar a dudas se reflejan en los precios de los productos. En este contexto, la tecnificación de la industria agrícola del país cobra especial relevancia, y la automatización de los procesos especial importancia. "El agro

12 MINISTERIO DE AGRICULTURA. Balance de gobierno, logros y retos del sector agropecuario 2002-2010. 13 Anónimo. Multimillonarias pérdidas dejan heladas y sequías en Boyacá. En:

EXCELSIO Primer Periódico Virtual de Boyacá. Boyacá: (26, Enero, 2010)

Internet (http://www.excelsio.net/2010/01/multimillonarias-perdidas-dejan-

heladas.html)

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colombiano no sólo se debe tecnificar en agroquímicos o tecnologías específicas del campo; es necesario que esta industria evolucione y se integre al mundo de las comunicaciones para que pueda coordinar mejor sus actividades, respondiendo a las necesidades de cada caso en el momento oportuno"14. Es así como el proyecto servirá de puente para la unión entre las tecnologías y el agro, planteando una alternativa que emplea la tecnología en la automatización de un proceso ya existente, el riego por aspersión, que permite proteger las plantas de los daños causados por las heladas, agregando además el hecho de que el proceso se realizará siempre que se requiera (cuando se presente la helada) y no solamente cuando el agricultor lo halla predicho; sin importar la distancia existente entre el sensor que detecta la helada y el punto de control donde se activará el sistema de riego por aspersión. A su vez, el desarrollo del presente trabajo de investigación, acompañado de la participación en el semillero de investigación SETEL, servirá como medio para participar en eventos, seminarios y ponencias relacionadas con las áreas de la electrónica, telemetría e investigación.

14 SINERGIA. Llego la hora para que el agro tecnifique su logística. 21 de Julio de

2010. Internet (http://elnuevosiglo.com.co/magazines/sinergia/8493-llego-la-hora-

para-que-el-agro-tecnifique-su-logistica.html)

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4. MARCO REFERENCIAL El marco referencial preliminar se desarrolla en los siguientes elementos: 4.1. MARCO DE ANTECEDENTES La telemetría, constituye una temática coyuntural tecnológica de gran importancia en la áreas de la automatización y supervisión de los procesos industriales; domótica e inmotica; control y supervisión de procesos agroindustriales; prevención y control de desastres naturales; control de fauna silvestre; y telemedicina entre otros. En el área de control de procesos agroindustriales, la medición de variables físicas para mantener ambientes controlados en procesos productivos, se hace necesaria para desarrollar un posible sistema de automatización local, un proceso que permita a los campesinos y/o dueños de cultivos cuidarlos sin necesidad de estar en el sitio todo el tiempo, sobre lo cual aún no se han desarrollado sistemas. En internet si se encuentran publicados registros y artículos acerca de la protección de cultivos frente a las heladas, sin embargo, estas técnicas se han practicado con éxito pero no han sido automatizadas, es decir, continúan siendo realizadas por los propios agricultores en el momento en que ellos mismos perciben la helada. De otra parte, existe un desarrollo en Uruguay, que fue explícitamente diseñado para el tipo de helada que se presenta en el lugar donde se desarrolló el mismo, este invento de acuerdo con Laborde15 se denomina Sumidero Invertido Selectivo y consta de un ducto cilíndrico recto de dos metros treinta de diámetro en cuyo interior se combinan calefactores y ventiladores, equipado con un motor de 50 caballos de potencia que mueve una hélice. Por otro lado, en el año 2008 como iniciativa del Ingeniero Nelson Forero surgió un

grupo de investigación, el cual, en el año 2010 se formalizó como el semillero de

investigación SETEL (Semillero de Telemetría); en ese momento, entre las líneas

temáticas del semillero de Investigación, se encontraban la telemedicina y

telemática.

Con el tiempo se han venido incluyendo otras líneas de investigación que surgen

como aplicaciones de la telemetría en diferentes campos como la agricultura,

15 LABORDE. Gustavo. El enemigo del frio, Servicio Informativo Iberoamericano. Montevideo Uruguay: Marzo, 1999. Internet (http://www.oei.org.co/sii/entrega11/art05.htm)

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satélites y pozos petroleros. Dentro del marco de la aplicación de la telemetría en

la agricultura, se identificó que en los meses de invierno, muchos agricultores se

ven afectados negativamente por la presencia de heladas que afectan los cultivos

ocasionando su pérdida, por lo que surgió como proyecto el diseño de un sistema

automático de defensa contra las heladas aplicando telemetría.

4.2. ESTADO ACTUAL A la fecha, no se tiene conocimiento de algún método de defensa automático contra las heladas, en el que se haga uso de herramientas tecnológicas, de hecho, el método más común consiste en la prevención seleccionando plantas más resistentes a las bajas temperaturas y sembrándolas en terrenos menos propensos a las heladas. En cuanto al semillero de investigación, éste continúa activo como semillero del programa de ingeniería de telecomunicaciones, enmarcado en la línea de investigación denominada Redes e Interconexión y en el área temática definida como las telecomunicaciones al servicio de otros sectores. Actualmente se encuentra a cargo del estudiante de Ingeniería de Telecomunicaciones Samuel Ballén, quien estudia el ahorro de energía en las empresas, empleando tableros solares, por su parte, los demás miembros del semillero están adelantando estudios acerca de mediciones remotas de temperatura ambiente y cámaras de seguridad IPV4 en espacios públicos. 4.3. MARCO CONCEPTUAL Sin duda alguna, es necesario tener claro el concepto de helada, y de acuerdo con Laborde16 dicha palabra se refiere a un fenómeno climático que puede ser de diferentes tipos y principalmente consiste, desde el punto de vista meteorológico, en el momento en el cual la temperatura del aire a metro y medio (1,5 m.) del nivel del suelo, en lo que se conoce como el abrigo meteorológico, es igual o inferior a 0°C.

16 LABORDE. Ibíd. Internet (http://www.oei.org.co/sii/entrega11/art05.htm)

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5. DELIMITACIÓN Este trabajo de investigación se llevará a cabo en la ciudad de Bogotá, con la ayuda de los recursos tecnológicos existentes en la universidad Piloto de Colombia, como lo son las fuentes, multímetros, osciloscopios entre otros elementos de laboratorio y el software de simulación Circuit Maker que se empleará para simular el circuito diseñado, y validar de esta forma su funcionamiento. Se trata de un trabajo de investigación que dará como resultado el diseño de un sistema automático de defensa contra las heladas en los cultivos, que a su vez empleará un sistema electrónico de adquisición y transmisión de señales.

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6. DISEÑO METODOLÓGICO La investigación que se realizará para desarrollar el presente proyecto, se llevará a cabo considerando los siguientes elementos: 6.1. HIPÓTESIS ¿Es posible emplear la telemetría para dar solución en tiempo real al problema del daño a los cultivos a causa de las heladas, y de esta forma evitar su pérdida? 6.2. TIPO DE INVESTIGACIÓN El proyecto comprende su desarrollo por fases en los cuales primero se realizará un proceso de observación y recolección de información que permitirá elaborar un estado del arte de la problemática e identificar claramente sus causas y a su vez las posibles soluciones. A continuación, se dará inicio a la elaboración del diseño de un prototipo que permita resolver el problema, partiendo de la ingeniera básica en la que se planteara el posible prototipo, continuando con el diseño ingenieril y finalizando con la ingeniera de detalle en la que se determinarán los elementos que conformarán el prototipo definiendo a su vez sus valores, para terminar luego con un diseño completo de la solución, simulado en un software. Es así como partiendo de la recolección de información empleando la técnica de investigación documental, se llegará hasta el planteamiento y diseño de un prototipo que podrá dar solución al problema, sin llegar a la fase de implementación. Con todo lo anterior, el proyecto se desarrollará haciendo uso de la investigación cuantitativa dado que la investigación no se desarrollará aplicando las ciencias sociales ni humanas; por el contrario se pretende aprobar o refutar una hipótesis planteada para dar solución a un problema real previamente identificado. 6.3. PLAN DE TRABAJO El procedimiento para alcanzar el éxito de los objetivos, comprendió un desarrollo a largo plazo de varias actividades, algunas de las cuales se desarrollaron en paralelo con otras; a continuación se presenta un resumen de las actividades y sus respectivas tareas propuestas para alcanzar dichos objetivos, cabe resaltar, que cada tarea conlleva por sí misma varias labores de investigación no detalladas específicamente en el presente plan de trabajo.

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Tabla 1. Resumen de actividades y tareas para alcanzar los objetivos.

OBJETIVO ACTIVIDAD TAREA

Diseñar un sistema electrónico de adquisición y transmisión de señales.

Diseño del sistema electrónico de adquisición y transmisión de señales

Definición y comprensión de la variable a transmitir.

Comprensión del funcionamiento de un sistema de adquisición y transmisión de señales

Elaboración del diseño inicial

Simulación del diseño en un software especializado.

Afinamiento del diseño elaborado.

Diseñar un sistema automático de defensa contra las heladas para los cultivos, a partir de la aplicación de la telemetría

Diseño del sistema automático de defensa contra las heladas

Comprensión del término helada

Identificar y conocer los métodos existentes de defensa contra las heladas

Diseñar la automatización de un método de defensa existente, haciendo uso de la telemetría.

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ

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7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DESARROLLADO DENTRO DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

Como se ha dicho antes, el semillero de investigación SETEL inició como un grupo de investigación, interesado en temas de domótica e inmótica, posteriormente, al decidir formalizar el grupo para convertirlo en semillero, se acordó que el tema general de investigación del mismo sería la telemetría, y de sus aplicaciones se desprenderían todos los proyectos que se trabajarían en adelante. En este sentido, dado que el programa de Ingeniería de Telecomunicaciones desarrolla sus actividades de investigación enmarcadas en la línea de investigación denominada redes e interconexión, se definió enmarcar los proyectos del semillero SETEL, en el área temática titulada las telecomunicaciones al servicio de otros sectores, lo cual nos permitiría realizar proyectos, consistentes en aplicaciones de la telemetría, para solucionar problemas de diferentes sectores. Es así como, a partir de la elección de trabajar en una aplicación de telemetría en la agricultura, surgió el presente proyecto que pretende dar como resultado el diseño de un sistema automático que permita evitar el daño causado por las heladas, a la planta de papa, y con esto evitar pérdidas de cultivos. Para llevar a cabo el diseño, primero se deben conocer los tipos de heladas existentes, y la forma de identificar su presencia, para de esta forma determinar el momento en que el sistema se debe activar. De igual forma, se deben conocer los métodos de defensa existentes, para seleccionar el más óptimo para ser automatizado. De otra parte, también se debe determinar la forma en la que se transmitirán las variables que harán parte del diseño, es decir, el sistema de telemetría que se empleará. Con todo lo anterior, se podrá elaborar el diseño del sistema automático de defensa, que será simulado en el software Circuit Maker, cuyo proceso se puede observar en los capítulos a continuación. Todo este proceso, se desarrollo en diferentes etapas durante la participación en el semillero, partiendo de la recolección de información y elaboración del estado del arte tanto en lo concerniente a telemetría, como en lo que a las heladas y métodos de defensa respecta; continuando con la apropiación de conceptos y elaboración de artículos a partir de la información recolectada; pasando luego a la medición y adecuación para transmisión de temperatura ambiente, para terminar con el diseño de la solución al problema planteado en el presente proyecto. 7.1. Tipos de heladas existentes y cómo se identifica su presencia En general las heladas son temperaturas demasiado bajas que afectan a las plantas ocasionando la muerte de los tejidos vegetales y con ello una reducción

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hasta del cien por ciento en el potencial de producción17. Sin embargo, es posible clasificarlas según su origen y efectos visuales que ocasionan. Según su origen, existen tres tipos de heladas, y una cuarta que se forma por la mezcla de dos de estas. De acuerdo con lo que dice Larocca18 una helada puede ser de advección, y se produce cuando una región es invadida por una masa de aire frío con temperaturas inferiores a 0°c. De igual forma, la helada puede ser de radiación y ocurre cuando a partir de la pérdida de calor terrestre por irradiación durante la noche, las capas bajas de la atmósfera se enfrían, y con ello también se enfrían los cuerpos que en éstas se encuentran. De otra parte, también se encuentran las heladas de evaporación, que se deben a la evaporación de agua líquida desde la superficie vegetal, lo que conlleva que la planta se enfría al aportar calor para que el agua pase de su estado líquido a gaseoso. Por último, se encuentran las heladas mixtas que se producen por la presencia de aire frío, y la pérdida de calor del suelo por irradiación. De otra parte, en cuanto a los efectos visuales, una helada puede ser blanca o negra. Según la universidad nacional de Colombia19, una helada es blanca cuando el aire está húmedo y forma cristales de hielo sobre la superficie de las plantas o demás elementos afectados; en contraste, una helada es negra cuando el aire está demasiado seco y la temperatura de congelamiento del agua se alcanza antes de que se haya formado el rocío. En cuanto a la forma de identificación o detección de una helada, se debe partir de la identificación de cuando se presenta una helada; en este sentido, según Larocca20 y la dirección de agricultura y prevención de contingencias en

17 INSTITUTO COLOMBIANO AGROPECUARIO. Heladas ponen en riesgo

cultivos. Enero 5 de 2010. Internet

(http://www.ica.gov.co/Noticias/Agricola/2010/Heladas-ponen-en-riesgo-

cultivos.aspx)

18 LAROCCA. Op. Cit. Internet


19 Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira. Climatología. Internet

(http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000134/contenido/cap4/lec3.

htm)



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argentina21, se presenta una helada cuando la temperatura a 1,5 metros del suelo, en lo que se conoce como abrigo meteorológico, es igual o menor a 0°C. En este sentido, será posible detectar una helada si se hace uso de un sensor de temperatura ubicado a 1,5 m. sobre el nivel del suelo. 7.2. Métodos de defensa contra las heladas, aplicables a un cultivo de papa Existen métodos de defensa contra heladas, de forma pasiva o indirecta, y de forma activa o directa; según Baeza22, los métodos de defensa pasivos tienen como principal objetivo predisponer el cultivo para que soporte la acción del frío en las mejores condiciones posibles; por su parte, los métodos de defensa activos, plantean una lucha directa contra los factores desfavorables. Por su parte, Larocca23 indica que los métodos activos “son aquellos aplicados justo al comenzar la helada y durante ella” Dado que el proyecto pretende diseñar un sistema de defensa automático que actúe en el momento en que se presente la helada (o antes), se centra la atención en los métodos de defensa activos. Dentro de los métodos de defensa activos se encuentran la mezcla mecánica de aire (con ventiladores o turbinas), los radiadores infrarrojos, las cortinas de humo o nieblas artificiales, las cubiertas o cortinas de tela o plástico sobre el cultivo, la aspersión de agua y el calentamiento del aire que rodea la planta. La mezcla mecánica de aire, que se realiza con ventiladores o turbinas, permite mezclar el aire frío con el aire cálido de las capas más altas para conseguir un aumento de temperatura, sin embargo, de acuerdo con la dirección de agricultura y prevención de contingencias en argentina24, la eficacia de este método disminuye cuando la planta se aleja de la hélice y el cultivo protegido es en realidad un óvalo, lo que deja desprotegida una parte del mismo.

21DIRECCIÓN DE AGRICULTURA Y PREVENCIÓN DE CONTINGENCIAS.

Heladas. Argentina. Internet

(http://www.contingencias.mendoza.gov.ar/pdf/heladas.pdf)

22 BAEZA GALA. Félix. Las heladas y su incidencia económica en la agricultura de Murcia. 1993. Página 5. 23 LAROCCA. Op. Cit. Internet


24 DIRECCIÓN DE AGRICULTURA Y PREVENCIÓN DE CONTINGENCIAS. Op.

Cit. Internet (http://www.contingencias.mendoza.gov.ar/pdf/heladas.pdf). p.10.

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Por su parte, los radiadores infrarrojos, según la dirección de agricultura y prevención de contingencias en argentina25, en la práctica han tenido resultados desilusionantes en estados unidos, los equipos ensayados en Francia no fueron aceptados. En cuanto a las cortinas de humo o nieblas artificiales, tienen como finalidad la pérdida de calor, sin embargo, son fácilmente desplazadas por el viento y no se tiene un control sobre el área que se pretende proteger, a su vez, es un poco difícil su automatización. En contraparte, las cubiertas o cortinas de tela o plástico que se colocan sobre los cultivos, protegen las plantas al evitar las pérdidas por radiación, pero son sólo aplicables a cultivos pequeños y según la dirección de agricultura y prevención de contingencias en argentina “no sirve para proteger de una helada sino se utiliza algún tipo de calefacción”26. En lo concerniente al calentamiento del aire que rodea la planta, es una técnica muy usada y efectiva que se realiza encendiendo calentadores de aire que se encuentran dentro del cultivo (en los sitios más tecnificados), o de forma artesanal quemando llantas. Sin embargo, dichos calentadores o quemadores no sólo requieren combustible como gasolina o petróleo para funcionar, sino que además se deben encender entre 100 y 300 por hectárea lo cual constituye un método de defensa costoso, mientras que la quema de llantas, aún cuando disminuye los costos, no sólo afecta el medio ambiente, sino que también requiere la presencia del agricultor en el momento de la helada, que generalmente ocurre en horas de la madrugada. Por último, está el sistema de riego por aspersión, que aprovecha la liberación de calor que se produce al congelarse el agua. De acuerdo con Larocca: “si las aspersión se mantiene constante, durante el periodo de temperaturas bajas, hasta que el hielo se haya fundido por acción del sol, la temperatura de la hoja no descenderá de 0°C.”27 De otra parte, según Baeza28, el inconveniente del riego por aspersión, puede ser las elevadas inversiones que requiere pues se debe tener un riego simultáneo y de cobertura total; en contraparte, la dirección de agricultura y prevención de contingencias en argentina29 manifiesta que éste es un método 25 Ibíd. p. 12.

26 Ibíd. p. 11.



28 BAEZA, Op. Cit. p. 6.

29 DIRECCIÓN DE AGRICULTURA Y PREVENCIÓN DE CONTINGENCIAS. Op.

Cit. p. 12.

~ 24 ~

eficaz que tiene como ventaja el permitir ser automatizado ajustando la duración de la defensa a la helada y de ésta forma reducir costos. En contraste con lo anterior, en Colombia, el Instituto Colombiano Agropecuario ICA recomienda como método de defensa el sistema de riego, tan es así que en una entrevista el gerente del ICA Andrés Fernández Acosta, recomienda estar atentos a las bajas temperaturas en horas de la madrugada y mantener permanentemente el sistema de riego, puesto que ayuda a que la capa de vegetal este hidratada permanentemente, y la planta tenga como defenderse autónomamente.30 De igual forma, el Ministerio de Agricultura, junto con la federación colombiana de productores de papa (FEDEPAPA), en su guía ambiental para el cultivo de papa31 manifiestan que el sistema de riego es utilizado por el productor tecnificado en caso de helada, e indica que dicho sistema permite un mejor rendimiento. Por todo lo anterior, para este proyecto, se eligió como método de defensa el riego por aspersión, que según Tarjuelo consiste en: “Un chorro de agua a gran velocidad, que se dispersa en el aire en un conjunto de gotas, distribuyéndose sobre la superficie del terreno con la pretensión de conseguir un reparto uniforme entre varios aspersores.”32 ya que éste permite proteger los cultivos de las heladas puesto que de acuerdo con Serrano: “Se basa en el hecho de que cada gramo de agua al congelarse desprende 80 calorías, una parte del calor es absorbido por la planta que, de esta forma puede mantenerse a una temperatura fuera del peligro”33.

7.3. Sistema de telemetría En este caso en particular se requiere hacer uso de la telemetría dado que el sensor que se empleará para medir la helada, estará distante del punto de control

30

INSTITUTO COLOMBIANO AGROPECUARIO. Heladas en el altiplano. Enero 5

de 2009. Internet (http://www.ica.gov.co/Audio_Asinosven/2009/Heladas-en-al-

antiplano.aspx)

31 FEDEPAPA, MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO

TERRITORIAL. Op. Cit. p. 27.

32 TARJUELO MARTIN - BENITO. J.M. El riego por aspersión y su tecnología.

España: Ediciones Mundiprensa, 2005.

33SERRANO. Javier Flórez. Agricultura ecológica Manual y guía didáctica. España:

Ediciones Mundiprensa, 2009. Página 75.

http://www.ica.gov.co/Audio_Asinosven/2009/Heladas-en-al-antiplano.aspx


~ 25 ~

donde se activará el sistema de riego por aspersión, lo cual requiere conocer en tiempo real el valor de una variable, en este caso la temperatura, en un lugar distinto al que se obtiene la medida. La forma de transmisión se eligió considerando que según las características del terreno es claro que no es conveniente tener medios guiados puesto que podrían ocasionar inconvenientes durante las labores normales de labrado de las tierras para la siembra y la cosecha de los cultivos. Del mismo modo, es claro que se requiere un método de transmisión fiable y veloz que garantice que el sistema de riego se activará siempre que sea conveniente su activación y en el momento preciso que se requiera, por lo que se desean tiempos de respuesta cortos. Para determinar el medio de transmisión a emplear, se elaboró un cuadro comparativo que permita identificar las principales ventajas y desventajas de cada una de las opciones, para con ello poder seleccionar el método de transmisión más óptimo para el proyecto, los resultados de este cuadro pueden observar se en la tabla 2. Ventajas y Desventajas de los métodos de transmisión. Tabla 2. Ventajas y Desventajas de los métodos de transmisión.

MEDIO DE TRANSMISIÓN

VENTAJAS DESVENTAJAS

Medios de transmisión Guiados (Cable UTP, Cable coaxial, Fibra óptica)

Ofrecen una transmisión fiable, con pérdidas casi nulas en distancias cortas. No requieren permisos especiales para su funcionamiento. Permiten transmitir señales analógicas y digitales.

Son susceptibles a perderse o ser robados de acuerdo a su costo y común uso en el mercado. Tienen un costo elevado, en especial en el caso de la fibra óptica. La presencia de los cables en el terreno puede ocasionar dificultades en las labores cotidianas de la agricultura

Infrarrojo

Es poco susceptible al ruido. No requiere permisos especiales para su uso.

Requiere conexión punto a punto, es decir, línea de vista. La luz infrarroja puede ser perjudicial para el ojo humano.

~ 26 ~

El haz infrarrojo se ve afectado por el clima, la interferencia atmosférica y obstáculos físicos.

Bluetooth

Emplea el estándar 802.11 para su funcionamiento. La frecuencia que emplea es de uso libre (2.4 GHz).

Para obtener un alcance superior a 20 Metros, se requieren dispositivos especiales (antenas), generalmente con altos precios en el mercado.

Ondas de radio

No requiere instalación adicional de antenas, pues los radios traen su propio transmisor y receptor integrado. Si se elige una frecuencia de 30MHz a 3Ghz, se podrá obtener un alcance promedio hasta de 50 Km, con línea de vista directa34.

Requiere hacer uso del espectro electromagnético, lo cual puede representar costos y permisos según la frecuencia que se elija.

Satélites

Ofrecen transmisiones veloces y fiables.

No requiere línea de vista.

Es un medio demasiado costos que requiere el uso de licencias del espectro electromagnético, y de

satélites.

Fuente: Autor – NIDIA RAMÍREZ Luego de realizar y analizar el cuadro comparativo anteriormente mencionado, se estableció que se empleará un sistema transmisor – receptor vía radio microondas, pues éste tiene poca probabilidad de pérdidas a causa de la interferencia causada por las plantas. Dicho sistema de radio, utiliza una frecuencia de 430MHz. la cual está dentro del espectro permitido para el uso libre de radiocomunicaciones de acuerdo con la atribución del espectro

34 Alpuente J. Propagación de ondas de Radio. Página 3. Internet

(http://www.ad4c.us/Other assorted manuals/Conferencias en la rueda de la

amistad/Propagacion de radio.pdf).

~ 27 ~

electromagnético en nuestro país35, en lo que se conoce como radioaficionado, lo anterior implica que no existen restricciones para el uso de esta frecuencia, y que además no se requiere licenciar o realizar pago alguno por el uso de la misma. 7.4. Diseño y simulación de un sistema automático de defensa contra heladas Previamente se ha establecido que el método de defensa que se automatizará, será el riego por aspersión, para este proyecto en particular, se partirá del hecho de que dicho sistema de riego ya se encuentra instalado en las fincas, y el diseño sólo se limitará a la activación o desactivación de dicho sistema ya existente. De otra parte, se ha establecido que ocurre una helada cuando existe una temperatura igual o inferior a 0°C. a 1,5 m. sobre el nivel del suelo, sin embargo, dado que el sistema planteado pretende prevenir que el cultivo se vea afectado por las heladas, el sistema de riego debe activarse previo a la presencia o existencia de la helada, de lo contrario, si se espera hasta que la temperatura sea igual a 0ºC, el tiempo en que se active el riego y se encuentren las plantas cubiertas puede ser suficiente para que la planta sufra un daño. Así, aun cuando se espera que el sistema de riego se active en microsegundos, el tiempo en que las plantas se encuentran completamente regadas (el cual varía dependiendo entre otras cosas de la distancia entre la planta y el aspersor) podrían ser algunos segundos considerables, aproximadamente de 15 a 20 segundos. Por lo anterior, y como parte del diseño, el sistema de riego se activará cuando la temperatura detectada por el sensor (que estará ubicado a 1,5 m. del suelo) sea igual o inferior a 2º C. este valor, es el que se tomará como referencia fija para la comparación que realizará el operacional inicial que estará encargado de determinar el momento en que se active la válvula, tal como se verá más adelante en el diseño del sistema. De esta forma, el cultivo se encontrará protegido al estar las plantas cubiertas por el agua para el momento en que la temperatura descienda a 0°C.; sin incurrir en gastos innecesarios de agua o riesgos de inundación, como ocurriría si se determina como valor referencial una temperatura superior a los 2°C. que active el sistema de riego con mayor frecuencia. A continuación se describe la forma en que el sistema funciona, así como los elementos y partes que lo componen. A grandes rasgos, este sistema está compuesto por dos partes: la primera parte, conocida como circuito transmisor que se encarga de la medición de temperatura y transmisión, y la segunda que es la

35 Ministerio de las tecnologías de la información y las comunicaciones. Atribución

de bandas de frecuencias del espectro radioeléctrico. Página 1. Internet

(http://archivo.mintic.gov.co/mincom/faces/index.jsp?id=1054)

~ 28 ~

encargada de la recepción de la señal y activación del sistema de riego, en adelante denominada circuito receptor. En la figura 3, se observa la distribución del sistema en el campo de un cultivo; para que el sistema funcione, únicamente se requiere de un circuito transmisor, y un circuito receptor, pero si se desea o se requiere cubrir una mayor área, se podrán tener hasta cuatro circuitos transmisores ubicados en puntos distantes del campo, por cada circuito receptor, que es el que debe estar cerca al sistema de riego. Se debe considerar, que cada válvula (encargada del riego) puede tener un alcance de 15 metros de radio, aunque éste dato específico en realidad depende de cada sistema de riego que esté instalado. Figura 3: Distribución del sistema anti heladas en un cultivo

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ El circuito transmisor, y el circuito receptor, se comunicarán entre sí de forma inalámbrica a través de radios que emplean modulación ASK a una frecuencia de 430MHz. La distancia entre el circuito transmisor, y el circuito receptor, puede ser hasta de 250 metros lineales.

7.4.1. Circuito transmisor El circuito transmisor, es en el cual se toman los datos de la temperatura ambiente, a una altura de 1,5 m. sobre el nivel del suelo, y en caso de que ésta sea menor o igual a la establecida previamente como margen, en este caso 2ºC, enviará una señal que le indicará al circuito receptor que debe activar el sistema de riego. La figura 4, presenta el diagrama de bloques del circuito transmisor.

~ 29 ~

Figura 4: Diagrama de bloques circuito transmisor.

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ Este circuito, está compuesto por un sensor LM 35, un operacional (LM 358) que convertirá los valores dados por el sensor, en Voltios (ya que están en mV) para posteriormente ser comparados, otro circuito operacional que actúa como comparador o condicional, el LM339 y un sistema transmisor que a su vez está compuesto por un elemento codificador (HT12D) y un radio transmisor (TLPRLP434A) (si se desea, es posible tener cuatro sensores distantes, conectados a un solo sistema transmisor). El sensor (LM35) fue seleccionado debido a su bajo costo en el mercado, dado que su rango de medición se encuentra dentro de lo necesario para el proyecto, y además ofrece un comportamiento lineal (ver anexo B) lo que lo hace una alternativa económica, eficaz y fiable. Éstos proporcionan un voltaje de 10mV por cada grado centígrado al que se encuentra expuesto en el ambiente, tienen un rango de medición de -55ºC a 150ºC, y necesitan una alimentación de 4 a 30 Voltios, con menos de 60mA.36; mientras que los operacionales (LM358), tienen un aumento de voltaje hasta 100dB y necesitan una alimentación de 3 a 32 V.37; por su parte, el comparador LM339 recibe de -0.3 a 36 VDC y opera en un rango de temperatura de 0ºC a 70ºC.38 En la figura 5, es posible ver el diseño electrónico del circuito transmisor, antes del sistema transmisor, esto debido a que este diagrama fue elaborado y simulado

36 National Semiconductor. LM35Precision Centigrade Temperature Sensor.

Noviembre 2000. Internet (http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf)

37 National Semiconductor.(sf).RF ASK Hybrid Modules for Radio Control ( New

Version ).Internet (http://www.national.com/ds/LM/LM358.pdf)

38 National Semiconductor. Low Power Low Offset Voltage Quad Comparator.

Marzo 2004. Internet (http://www.national.com/ds/LM/LM339.pdf)

~ 30 ~

con la ayuda del software circuit Maker, en el que no es posible simular si se tienen simultáneamente elementos que trabajen en AC y en DC. Figura 5: Medición y comparación de la temperatura. Simulación realizada en el software Circuit maker2000.

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ Este circuito tendrá una Batería de 12V, (representada en la imagen como V1) la cual alimentará todo el circuito, el sensor LM35 se encuentra simulado en V2, lo que representaría una temperatura de 6ºc. y estará conectado con el operacional LM358. Esta batería, sería una batería común existente en el mercado local, probablemente una batería de moto, que a su vez, es posible recargar en 10 minutos en cualquier taller de mecánica. Las resistencias son de valores R 40KΩ, R 10KΩ, R90kΩ y R4.7KΩ y cumplen la función de complementar los circuitos operacionales para que funcionen apropiadamente, y determinar la ganancia que en el caso del primer operacional, es equivalente a 10, y en el caso del segundo, es equivalente a 5; así, por ejemplo en este caso, a la salida del operacional LM358 se tendrá un valor de 3V (60mV*10 = 600mV, 600mV * 5 = 3000mV = 3V), que será el que se compare posteriormente en el LM339. Para dicha comparación, como ya se había mencionado antes, se tendrá un valor predeterminado que será de 2ºC lo cual, correspondiendo con la escala del LM35 y la ganancia a la cual fue sometido dicho valor, será equivalente a 1V. (2ºC=20mV, 20mV*10= 200mV, 200mV*5= 1000mV =1V) Entonces teniendo el voltaje que arroja el sensor, luego de su adaptación con el operacional, se comparará con 1V; en caso de que el voltaje del sensor sea mayor que este valor referencia, el voltaje dado por el LM339, será de 0V (un 0 lógico), en caso contrario, es decir que el voltaje dado por el sensor sea menor o igual que 1V, el operacional tendrá a su salida un voltaje de 12 voltios, lo que sería un 1 lógico a transmitir, tal como lo muestra la figura 6.

~ 31 ~

Figura 6: Medición y comparación de la temperatura, temperatura ambiente menor que valor predeterminado. Simulación con el software Circuit Maker 2000.

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ Estos 12 voltios pasarán a continuación por un codificador HT12D, (el cuál necesita una alimentación de -0.3 a 13V)39, la función que tiene este codificador es tomar el voltaje arrojado por el LM339 y convertirlo a Binario (si recibe 12Voltios da 1, si recibe 0 Voltios da 0), para así poder ser enviados a un transmisor TLP434A, que opera con un voltaje de 2 a 12 VDC, emplea tipo de modulación ASK y una frecuencia de 430MHz.40. Por ejemplo, si el comparador da como resultado 0V. (ya que la temperatura ambiente es mayor que el valor predeterminado), el codificador convertirá lo que está recibiendo y mandará 0000; de ser lo contrario y el comparador manda 12 Voltios el codificador lo convertirá a un 1 binario, formando una cadena a transmitir que podría ser 0001 esto lo recibirá el radio transmisor, y serán estos los datos que envíe al radio receptor quien junto con el circuito receptor activará el sistema de riego.

7.4.2. Circuito receptor El circuito receptor, está compuesto por un radio receptor, un elemento decodificador HT12F, una compuerta OR (74LS32), una adaptación de

39National Semiconductor. Series of decoders. Julio, 1999. Internet

(http://www.datasheetarchive.com/HT12F-datasheet.html)

40 National Semiconductor. Series of decoders. Julio, 1999. Internet

(http://www.datasheetarchive.com/RLP434A-datasheet.html)

~ 32 ~

impedancias, un transistor y una válvula (encargada de iniciar o detener el sistema de riego). A continuación, la figura 7 muestra el diagrama de bloques del circuito receptor. En este circuito, el radio receptor RLP434A (el cual trabaja con un voltaje de 2 a 12 voltios)41 recibirá los datos y los enviará al decodificador HT12F, el decodificador identifica un código de comunicación que es enviado por el codificador, si este código es el indicado, sabrá que es el dispositivo al que debe escuchar (y no cualquier otro dispositivo en el ambiente). Este decodificador, requiere de una fuente de 5V para su funcionamiento42, los cuales serán obtenidos a partir de la misma batería empleada por el circuito transmisor, (o una adicional si se desea), conectada a su vez a un regulador de voltaje 7805, el cuál recibe los 12 Voltios dados por la batería, y arroja 5 Voltios. Figura 7: Diagrama de bloques circuito receptor.

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ Luego que el decodificador determine que la señal recibida, es proveniente del dispositivo que debe escuchar, transmitirá los datos recibidos a una compuerta OR (74LS32); de la cual, saldrá un 1, en caso de que el circuito transmisor lo haya enviado, lo que ocurriría en caso de que alguno de los sensores de este circuito, haya medido una temperatura inferior a 2ºC. En la figura 8, se observa el diseño del circuito receptor, con la ayuda del software Circuit Maker, dado el inconveniente anteriormente expuesto de la imposibilidad de simular elementos de AC y DC simultáneamente, el switch representa el dato resultante de la compuerta OR. Este dato ingresará al operacional, que a su vez

41 Ibíd. Internet (http://www.datasheetarchive.com/RLP434A-datasheet.html)

42 National Semiconductor. Op. cit. Internet

(http://www.datasheetarchive.com/HT12F-datasheet.html)

~ 33 ~

se comporta como un adaptador de impedancias, y arrojará un voltaje de 3,495 Voltios en caso de que el resultado sea un 1; dicho voltaje, será recibido por el transistor TIP141, el cual será el encargado de enviar el voltaje necesario a la electroválvula (que se encuentra representada con la bobina) y así encender el sistema de riego por aspersión. Figura 8: Simulación circuito receptor y activación electroválvula con el software Circuit Maker 2000

Fuente: Autor – NIDIA RAMIREZ Así, el transistor TIP141 dará el voltaje necesario dependiendo de la electroválvula que se utilice (24 o 110 Voltios – según el sistema de riego que se emplee, el cual es propio de cada cultivo); la electroválvula a utilizar será normalmente cerrada para que cuando tenga el voltaje que requiera, permita el paso de agua a los aspersores y así regar todo el cultivo.

~ 34 ~

8. PRODUCTOS ACADÉMICOS DESARROLLADOS DURANTE EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

Durante el proyecto de investigación se desarrollaron diferentes productos que fueron entregados en su momento al INIP, ahora Dirección de Investigaciones; sin embargo, no todos estos estuvieron a cargo de la autora, puesto que dentro de la organización interna del semillero, y dada la cantidad de estudiantes miembros del semillero, se acordó desde la formación del semillero, que cada producto sería realizado de forma individual o máximo entre tres integrantes del semillero. En este sentido, dentro de los productos académicos desarrollados por la autora, durante la participación en el semillero de investigación SETEL se destacan la participación en InnovaTIC Piloto 2010 con el trabajo titulado “¿Qué es telemetría?, la elaboración de un artículo de investigación titulado ¿Cómo proteger las plantas del daño ocasionado por las heladas, empleando telemetría?, y la elaboración de un prototipo que permita medir y transmitir la variable de temperatura, incluyendo en éste la elaboración del circuito para llevar a cabo la medición de las variables, la propia medición y el acondicionamiento de las señales para dicha transmisión. El trabajo titulado ¿Qué es telemetría?, consistió en una recopilación y análisis de distintas fuentes y autores que hablan al respecto de la telemetría, su objeto de estudio y sus aplicaciones, para dar como resultado una definición construida del término telemetría que posteriormente sería aplicada en todos los proyectos del semillero de investigación. En contraste, el prototipo para medición y transmisión de variables de humedad y temperatura, se planteó en los primeros semestres de conformación del semillero; sin embargo sólo se pudo llevar a cabo con la variable de temperatura puesto que el sensor de humedad representó costos que el semillero no asumió. En este sentido, el prototipo consistió en el diseño y elaboración en protoboard de un circuito que permitía medir la temperatura y expresarla en términos de voltaje, cuya amplitud luego sería ampliada, para posteriormente poder ingresar a un sistema de transmisión, diseñado por otros integrantes del semillero. Por su parte, el artículo de investigación, plantea una alternativa de solución al daño ocasionado por las heladas a los cultivos, empleando el método de protección activo conocido como riego por aspersión; y haciendo uso de la telemetría, por medio de un sistema que consta de un sensor de temperatura, un acondicionamiento electrónico, un sistema transmisor receptor inalámbrico y el sistema de riego ya existente.

~ 35 ~

9. CONCLUSIONES Y RESULTADOS OBTENIDOS

Se conoce como helada, el momento en el cual la temperatura a 1,5 metros

del suelo, en lo que se conoce como abrigo meteorológico, es igual o

inferior a 0°C.

Existen diferentes tipos de heladas, dependiendo de su origen, y de los

efectos visuales que causa el fenómeno. Según su origen, las heladas se

clasifican en heladas de advección, de radiación, de evaporación o mixtas;

por su parte, las heladas según los efectos visuales pueden ser negras o

blancas.

El sistema de riego por aspersión, permite evitar que las plantas sufran

daños a causa de las heladas, puesto que le da a las mismas, la posibilidad

de defenderse autónomamente, ya que una parte del calor que desprende

el agua al convertirse en hielo, es absorbido por la planta, lo que le permite

mantenerse a una temperatura fuera de peligro.

El sistema de defensa seleccionado para su automatización, fue el de riego

por aspersión, debido a que es un método activo que se aplica ante la

presencia de la helada, cuya eficacia es mencionada por distintas fuentes,

es más económico su funcionamiento que el de calentamiento de aire, y no

requiere la presencia de un agricultor para su funcionamiento.

El sistema automático de defensa contra las heladas depende de un

sistema de riego por aspersión existente en la finca donde se encuentre el

cultivo de papa, el presente proyecto no incluye el diseño del sistema de

riego.

El sistema de telemetría empleará un sistema transmisor-receptor vía radio,

que utiliza una frecuencia de 430MHz y un tipo de modulación ASK para

activar o desactivar el sistema de riego, de acuerdo con la temperatura

medida.

~ 36 ~

El sistema de riego, se debe activar antes de que la temperatura medida

sea igual o menor que 0°C. puesto que se debe proteger la planta antes de

que la helada la afecte.

El sistema automático de defensa contra las heladas está compuesto por un

sistema de medición que a su vez se compone de sensor de temperatura,

con su respectivo acondicionamiento electrónico, un sistema transmisor –

receptor inalámbrico y un sistema de riego ya existente.

El sistema automático de defensa contra las heladas, activará el sistema de

riego cuando el sensor de temperatura ubicado a 1,5 m. del suelo detecte

una temperatura igual o inferior a 2°C.

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~ 40 ~

ANEXOS Anexo A. Datasheet radio transmisor – receptor Anexo B. Datasheet sensor LM35 Anexo C. Datasheet transistor LP141 Anexo D. Cuadro de atribución bandas de frecuencia en Colombia

AE

RO

NÁ

UT

ICA

AE

RO

NÁ

UT

ICA

MÓ

VIL

MA

RÍT

IMO

| |

MÓ

VIL

MA

RÍT

IMO

30,0

31,0

31,3

31,8

32,0

32,3

33,0

33,4

34,2

34,7

35,2

35,5

36,0

37,0

37,5

5

38,0

40,0

40,5

41,0

42,5

43,5

47,0

47,2

50,2

50,4

51,4

52,6

54,2

5

55,7

8

58,2

59,0

59,3

64,0

65,0

66,0

71,0

74,0

76,0

77.5

78,0

79,0

81,0

84,0

86,0

92,0

94,0

94,1

95,0

100,0

102,0

105,0

109,5

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5

116,0

122,2

5

123,0

130,0

134,0

136,0

141,0

148,5

151,5

155,5

158,5

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167,0

174,5

174,8

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185,0

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191,8

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209,0

217,0

226,0

231,5

232,0

235,0

238,0

240,0

241,0

248,0

250,0

252,0

265,0

275,0

300,0

30 GHz 300 GHz

FIJ

O

MÓVIL

FIJO

FIJO

FIJO PORSATÉLITE

(No atribuida)

MÓ

VIL

RA

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FIJ

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FIJO

MÓVIL

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FIJO

RA

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FIJ

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MÓVIL

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MÓVILSATÉLIT

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RADIO ASTRONOMÍA

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5

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5

23,6

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5

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5

24,4

5

24,6

5

24,7

5

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5

25,5

27,0

27,5

28,5

29,5

30,0

FIJ

OF

IJO

SA

TÉ

LIT

MÓ

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FIJO

MÓVIL

3 GHz 30 GHz

FIJOFIJO

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FIJ

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FIJ

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FIJO

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25

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25

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5

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2520,0

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2690,0

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2900,0

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RA

DIO

DIF

US

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300 MHz 3000 MHz

RA

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DIF

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MÓ

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MÓ

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FIJ

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RA

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L

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MÓVIL


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MÓ

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o

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MÓ

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Radio

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25

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143,6

5

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5

156,4

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156,7

625

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5

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5

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225,0

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5

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233,2

5

235,0

245,4

5

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5

267,0

272,0

273,0

300,0

30 MHz 300 MHz

FIJO

MÓVIL

RADIODIFUSIÓN TELEVISIÓN BT RADIODIFUSIÓN SONORA BCRADIODIFUSIÓN TELEVISIÓN BT

RA

DIO

NA

VE

GA

CIÓ

NA

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TIC

A

MÓVIL AERONÁUTICO ( R )

FIJ

OM

ÓV

IL

FIJO

MÓVIL

RADIODIFUSIÓN TELEVISIÓN BT

RADIOLOCALIZA

MÓVIL

FIJO


RA

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LO

CA

LIZ

INV

ES

T

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VIL

FIJ

O

MÓ

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FIJ

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Radio

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MÓ

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M

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MÓ

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FIJ

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FIJO

MÓVIL

Operaciones espaciales

FIJ

OM

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RA

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ES

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S

MÓVIL

FIJO

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3,0

25

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3

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5

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95

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4

9,4

9,5

9,9

9,9

95

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10,1

5

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11,2

75

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12,1

12,2

3

13,2

13,2

6

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6

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1

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7

13,6

13,8

7

14,0

14,2

5

14,3

5

14,9

9

15,0

05

15,0

1

15,1

15,8

16,3

6

17,4

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8

17,9

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7

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3

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2

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9

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1

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22,8

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5

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9

24,9

9

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05

25,0

1

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7

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1

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5

25,6

7

26,1

26,1

75

27,5

28,0

29,7

30,0

3 MHz 30 MHz

MÓ

VIL

MA

RÍT

IMO

FIJ

O

MÓ

VIL

MA

RÍT

IMO

FIJ

O

MÓ

VIL

MA

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IMO

MÓ

VIL

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RÍT

IMO

FIJO


AFICIONADOS

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VIL

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R)

FIJ

O

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MÓ

VIL

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Móvil

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IJO

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IJO

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IJO

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AS

A L

A

ME

TE

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OL

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FIJO

MOVIL

AFICIONADOS POR SATELITE

300,0

315,0

325,0

335,0

405,0

415,0

495,0

505,0

510,0

525,0

535,0

1605,0

1625,0

1705,0

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1850,0

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2501,0

2502,0

2505,0

2850,0

3000,0

RA

DIO

NA

VE

GA

AE

RO

NA

UT

ICA

Móvil

aero

náutico

Radio

nav

marí

tim

a R

C

RADIONAVEGACIÓNAERONÁUTICA

FIJO

MÓVIL

RADIOLOCALIZACIÓN

AFICIONADOS

FIJO

300 kHz 3000 kHz

RADIODIFUSIÓN SONORA BC

FIJO

MÓVIL

FIJO

MÓVIL


RADIOLOCALIZACIÓN

RADIONAVEGACIÓN

FIJO

MÓVIL


MÓ

VIL

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RO

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UT

ICO

(

R )

30,0

70,0

90,0

110,0

130,0

135,7

137,8

160,0

190,0

200,0

275,0

285,0

300,0

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO

RADIONAVEGACIÓN MARÍTIMA

Radiolocalización

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO

Móvil aeronáutico

Radionavegación marítima (Radiofaros)

30 kHz 300 kHz

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO

RADIONAVEGACIÓN

Fijo Radiolocalización

RADIONAVEGACIÓN MARÍTIMA

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO

FIJORADIONAVEGACIÓN AERONÁUTICA

Móvil aeronáutico

RADIONAVEGACIÓN MARÍTIMA (radiofaros)

RADIONAVEGACIÓN AERONÁUTICA

3,0

9,0

14,0

19,9

5

20,0

5

30,0

RA

DIO

NA

VE

G

3 kHz 30 kHz

No atribuida RADIONAVEGACIÓN

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO

FIJO

MÓVIL MARÍTIMO


CONVENCIONES

BC Estación de radiodifusión (sonido)

BT Estación de radiodifusión (televisión)

OR Fuera de ruta

R Dentro de ruta

RC Radiofaro no direccional

s.m.a. salvo móvil aeronáutico

Tx Transmisión

Móvil

salv

o

móvil

aero

náutico (

R)

Fijo

Mó

vil

MÓ

VIL

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MÓ

VIL

FIJ

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FIJ

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MÓVIL MÓVIL

FIJO

FIJ

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IL

FIJ

OM

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sa

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IJO

MÓ

VIL

METEOR SATÉLIT

Fijo

OPER ESPAC

AYUDAS METEOR

AYUDA METEOR

Móvil s.m.a.

EXPLOR SATÉLIT

Fijo

Móvil

s.m

.a

FIJ

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móvil

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Móvil aeronáutico

MÓVIL MARÍTIMO

Radionavegación aeronáutica

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VIL

FIJO

MÓVIL

FIJ

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FIJ

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Móvil

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MÓVIL

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Fijo

Móvil s.m.a.

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FIJO

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MÓVIL

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FIJO

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MÓVIL

MÓVILSATÉLIT

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IL

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REPÚBLICA DE COLOMBIAMINISTERIO DE TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y LAS COMUNICACIONES

ATRIBUCIÓN DE BANDAS DE FRECUENCIAS DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO

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SERVICIOS DE RADIOCOMUNICACIÓN

AFICIONADOS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

AFICIONADOS POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

AYUDAS A LA METEOROLOGÍA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

ENTRE SATÉLITES - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

EXPLORACIÓN DE LA TIERRA POR SATÉLITE - - -

FIJO - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

FIJO (ENLACES ESTUDIOS - SISTEMAS DE TRANSMISIÓN estaciones

Radiodifusión Sonora) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

FIJO (ENLACES NACIONALES estaciones de Radiodifusión Sonora) -

FIJO (LMDS) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

FIJO (espectro ensanchado) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

FIJO POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

FRECUENCIAS PATRÓN Y SEÑALES HORARIAS -

FRECUENCIAS PATRÓN Y SEÑALES HORARIAS POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

INVESTIGACIÓN ESPACIAL - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

METEOROLOGÍA POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL (PCS) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL (TELEFONÍA MÓVIL CELULAR) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL (ACCESO TRONCALIZADO - TRUNKING) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL (TRANSMÓVILES Estaciones de Radiodifusión Sonora) - - - - -

MÓVIL AERONÁUTICO - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL MARÍTIMO - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL POR SATÉLITE (Espacio - Tierra) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL POR SATÉLITE (Tierra - espacio) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL POR SATÉLITE salvo móvil aeronáutico por satélite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL salvo móvil aeronáutico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

MÓVIL TERRESTRE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

OPERACIONES ESPACIALES - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIOASTRONOMÍA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIODETERMINACIÓN POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - -

RADIODIFUSIÓN - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIODIFUSIÓN POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIOLOCALIZACIÓN - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIOLOCALIZACIÓN POR SATÉLITE - - - - - - - - - - - - - - -

RADIONAVEGACIÓN - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIONAVEGACIÓN AERONÁUTICA - - - - - - - - - - - - - - - - -

RADIONAVEGACIÓN MARÍTIMA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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