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SISTEMA AUTOMÁTICO REMOTO PARA EL CUIDADO DE CULTIVOS

CEREALES (FRIJOL Y ARVEJA)

Nilson Gamba Castelblanco - 20062005007

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de ingeniería

Bogotá, 2015

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Sistema automático remoto para el cuidado de cultivos cereales –Nilson Gamba Castelblanco

SISTEMA AUTOMÁTICO REMOTO PARA EL CUIDADO DE CULTIVOS

CEREALES (FRIJOL Y ARVEJA)

Nilson Gamba Castelblanco - 20062005007

Director: Julián Camargo López

Línea de investigación: Automatización y Bioingeniería

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de ingeniería

Bogotá, 2015

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TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………….…………….4

1.1Justificación………………………………………………………………………………………………….………........6

2. Objetivos………………………………………………………………………………………………………….……………7

2.1. Objetivo General…………………………………………………………………………………………….…………...7

2.2. Objetivos Específicos……………………………………………………………………………………….…………..7

3. Marco Teórico………………………………………………………………………………………………………..….........8

3.1. Factores que influyen en el cultivo …………………………………………………………………..……..…………8

3.2. Agua …….…………………………………………………………………………….………………………....………8

3.3. Clima ……………………………………………………………………………………………………………..........10

3.4. Suelo ………………………………………………………………………………………………..………………….11

3.5. Tipos de riego..…..…………………………………………..……………………………….………………………..22

3.6. Generalidades del riego por goteo………….…………..……………………………………………..……………..25

3.7. Selección de componentes del sistema de riego……………………………………………………..…………….27

3.8. Selección de componentes electrónicos del sistema de automatización………………………………………..29

3.9. Antecedentes…………………………………………………………………………………………………………...32

4. Metodología…………………………………………………………………………………………………………….……38

4.1 Tipo de investigación y enfoque investigativo…………………….………………..……………………………….39

4.2 Estudio del lugar…………………………………………..……………………………………………………….…..41

4.3 Distribución del terreno………………………………………………………….....................................................42

4.4 Diseño……………………………………...........................................................................................................45

5. Resultados y Discusión………………………………………………………………………………………………..…...68

5.1 Implementación en campo…………………………………..………………………………………………….…….68

5.2 Diseño del proyecto.……………………………………………………………………….………………………….71

6. Análisis de mercado…………………………………………………………………………………………………….…..79

7. Conclusiones…………………………………………………………………………….…………………………………..84

8. Anexos………………………………………………………………………………………………..Archivo Digital Anexos

9. Bibliografía………………………………………………………………………………………………….………………..86

10. Cronograma…………………………………………………………………………………………………...……………..91

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1 INTRODUCCIÓN

Con la información suministrada por diferentes publicaciones relacionadas con el tema, se desea realizar el

diseño y por consiguiente la instalación de un sistema automático de regadío por goteo, que a su vez

permita también el riego de insecticidas o fungicidas de manera remota, para un cultivo cereal (frijol y

arveja). Que dicho sistema permita gestionar tiempos de riego, visualizar y mantener un nivel de humedad

en el suelo, controlar la cantidad de ciclos de riego tanto de insecticidas como fungicidas.

Este proyecto se enfoca en la importancia que se le deben dar a los cultivos para lograr cosechas de

calidad y bajo costo, para mercados cada vez más competitivos, de ahí el diseñar sistemas que permitan

cultivos tecnificados donde se controlen todos los procesos requeridos para tener una buena cosecha,

controlando la humedad, fungicidas, insecticidas y las cantidades de fertilizantes de manera que todas las

plantas reciban un trato controlado y por ende su crecimiento sea el esperado.

Lo importante es lograr que los espacios de siembra sean mejor aprovechados, ya que a nivel nacional los

suelos aptos para la agricultura son del 13% y solamente se utilizan el 4% ya sea por problemas de

conflicto interno, calamidades de tipo invernal o sequía que ocurren en algunas épocas del año. Por esta

razón la importancia de generar y diseñar sistemas que mejoren la agricultura del país [1].

Con ayuda de varios sensores de humedad instalados en el cultivo y el diseño de un circuito de control

(micro controlador), se espera que los datos viajen del sensor al procesador y por consiguiente sean

enviados a un ordenador (PC) a través de un módulo de transmisión de datos conocido como ZigBee.

Cuando los datos ya hayan llegado al ordenador (PC) el usuario visualizara en la pantalla los niveles de

humedad y temperatura del cultivo, del mismo modo podrá seleccionar el tipo de riego en el cultivo, ya sea

por tiempos o por niveles de humedad, de igual manera seleccionar la cantidad de ciclos de riego de

insecticidas y fungicidas.

Si el usuario elige la opción de riego por niveles de humedad, automáticamente el ordenador establecerá si

el cultivo esta en los niveles de humedad ideales definidos por el usuario, de no ser así permitirá o limitara

el paso de agua al cultivo para llegar a dichos niveles establecidos, todo esto gracias a la ayuda de los

datos suministrados por sensores ubicados en el terreno, que enviaran la información al ordenador el cual

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dará las ordenes correspondientes para compensar el nivel de humedad.

En caso que el usuario elija un riego por tiempos, establecerá el tiempo de riego en el ordenador y este a

su vez enviara la señal de apertura a la válvula (solenoide) que permitirá el flujo de agua, en la instalación

de riego. El control de flujo de agua se hará por medio de una válvula solenoide, que con señales del

sistema permitirá el paso o no del agua (cierre y apertura), este sistema de riego también puede utilizarse

para ser conectado a un tanque de fertilizante líquido y así poder hacer riego por medio del mismo sistema

de goteo.

Para los ciclos de riego de insecticidas y/o fungicidas se utilizara un armazón en el cual va un pequeño

“carrito” que se moverá paralelamente a los surcos de siembra regando los químicos, y haciendo

movimientos de ida y retorno (ciclos) los cuales son definidos por el usuario en el ordenador. En todo el

tiempo de trabajo y cuidado del cultivo se realizaran registros fotográficos semanales de la evolución del

cultivo comparándolo con un cultivo tratado de forma tradicional con y sin sistema de riego por goteo.

El objetivo principal es lograr que el sistema aumente tanto la calidad del producto como su producción

comparada con el método tradicional, de igual manera reducir el consumo de energía, agua y fertilizantes

son unos de los alcances que se esperan con la implementación del prototipo, permitiendo así corregir

errores, y buscar las mejores alternativas de ubicación de sensores y válvulas para que tener un cultivo

altamente rentable. Una de las limitaciones que se podrían evidenciar en este proyecto será la extensión

que pueda cubrir este mismo, desde el punto de vista de la fumigación de insecticidas y fungicidas, ya que

le prototipo no cubre un área muy grande, y si se quisiera aumentar su cobertura el costo sería muy

elevado, sería recomendable para pequeños cultivos o parcelas.

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1.1 JUSTIFICACIÓN

La implementación de un sistema automático remoto para el cuidado de cultivos cereales (aunque se

puede pensar en muchos otros cultivos) dará la oportunidad de minimizar el gasto de agua,

fertilizantes, fungicidas, insecticidas y electricidad, ya que se gestiona el cuidado de los cultivos de

manera remota y sincroniza los tiempos de riego con los datos proporcionados por los sensores. Este

sistema además permite explorar nuevas tecnologías en al área y así optimizar los sistemas manuales

actualmente utilizados en el país.

La finalidad de este proyecto es evaluar primeramente cada una de las características que hacen

productivo, sano y rentable a un cultivo, con base a ello se diseña un sistema que controle los tiempos

de regadío que las plantas requieren, dependiendo la humedad del suelo y la integridad de la planta,

para así mejorar la cantidad y calidad de la cosecha, y evitar el daño del cultivo ya sea por el exceso o

falta de agua, fertilizantes y/o químicos.

Este proyecto busca emplear los conocimientos adquiridos durante el ejercicio formativo propio en las

áreas de bioingeniería, Digitales III, electrónica industrial e instrumentación industrial, en procura de la

elaboración del diseño de un prototipo automático remoto para el cuidado de cultivos y por

consiguiente su implementación en un cultivo cereal (frijol y arveja).

La secuencia del proyecto tiene como fin mejorar, valorar y optimizar la cantidad y calidad de la

cosecha en el cultivo cereal (frijol y arveja) economizando la mayor cantidad de agua, fertilizantes y

químicos suministrados a las huertas, esto para evitar el gasto desmedido de recursos en este y otros

cultivos.

El beneficio de este proyecto trae consigo mejoras económicas en un principio en la finca en la cual se

va a implementar, pero se espera en un futuro beneficios económicos en la agricultura colombiana, si

se impulsan estos proyectos que buscan el crecimiento agropecuario del país, y así lograr economizar

gastos de electricidad por uso de motobombas y gasto desmedido del agua y otros recursos.

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2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo General:

Diseñar e implementar un sistema que automatice un cultivo cereal (frijol y arveja) para valorar y

optimizar su rendimiento

2.2 Objetivos específicos:

Investigar los niveles de humedad y temperatura apropiados para el crecimiento y desarrollo de un

cultivo cereal (frijol y arveja), como a su vez las válvulas e implementos hidráulicos para la

elaboración del sistema a bajo precio y de fácil implementación.

Plantear las características técnicas del sistema, realizando pruebas de caracterización de

sensores, métodos de riego y planos de instalación, para su implementación en campo.

Realizar el sembrado del cultivo a tratar y la instalación del sistema de riego a utilizar, con registros

fotográficos semanales de la evolución del cultivo con el sistema automatizado en comparación

con otro cultivo tratado de forma tradicional.

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3 MARCO TEORICO

3.1 Factores que influyen en el cultivo

Hay una serie de aspectos que influyen considerablemente y varían el coeficiente de un cultivo que son: el

agua, clima, suelo, y las etapas de crecimiento del cultivo. [1].

3.2 Importancia del Agua en el cultivo

El suelo es un entramado de partículas minerales que no forman una masa compacta, sino que entre ellas

existe una intrincada red de poros y canales por los que circula el aire y el agua.

La capacidad de retener agua en el suelo dependerá de su textura (proporción de arena, limo y arcilla) y

de su estructura (forma en la que las partículas del suelo se unen formando agregados y creando

diferentes tipos de poros). Para la actividad agrícola el suelo ideal es el franco (30-50% de arena; 30-50%

de limo y 20-30% de arcilla). Este suelo es capaz de almacenar unos 300 litros de agua por metro de

profundidad, aunque no todo está agua está enteramente disponible para las plantas.

En general el 80% de una planta está constituida por agua, y un 20% está constituido por componentes de

materia seca entre los que se encuentra carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, potasio, calcio etc. Cada tipo

de planta presenta un período crítico en relación a la escasez de agua, en el caso de la fresa este

momento crítico es durante la formación del fruto. En términos generales el cultivo de fresa tiene una

demanda de agua de 12546 metros cúbicos por cada hectárea [1].

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3.2.1 Potencial del agua en el suelo

Cada gota de agua situada en un poro cualquiera del suelo está sometida a distintas fuerzas que

determinarán su evolución. Sobre una gota de agua actuarían las siguientes fuerzas:

La fuerza de gravedad

La fuerza debido a la presencia de sales

La fuerza debida a la interacción entre las cargas eléctricas de las arcillas y sustancias húmicas

con la polaridad de las moléculas de agua.

A efectos prácticos la conclusión sería que para poder extraer agua del suelo es necesario contrarrestar

todas estas fuerzas, debiéndose realizar una presión de succión, cuyo valor habría de igualar el balance de

todos las fuerzas enumeradas anteriormente, por simplicidad se denomina potencial hídrico del suelo o

tensión de humedad.

El potencial hídrico, y por tanto el esfuerzo que deben realizar las plantas para extraer agua del suelo, no

es lineal, sino que aumenta a medida que el contenido de agua de los poros va disminuyendo. Esto

significa que para minimizar el gasto energético de las plantas en la absorción de agua, maximizando por

tanto la producción, lo ideal sería planear el riego para que el contenido de agua del suelo se mantuviera

siempre en valores altos, pero sin saturarlo durante periodos prolongados.

3.2.2 Concepto de Evapotranspiración

Para lograr buen uso del agua de riego, el dato básico que debe conocerse es el consumo de agua del

cultivo en cuestión para un periodo de tiempo determinado. Intentando cuantificar este consumo se define

el término evapotranspiración (ET), como la cantidad de agua que el suelo pierde bien como consecuencia

directa de la evaporación o bien debido a la transpiración de las plantas. Se emplea también el término

evapotranspiración potencial (ETP), que sería la evapotranspiración del cultivo siempre que el agua

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disponible en el suelo no actuase como factor limitante, y vendría a representar el valor máximo de

evapotranspiración bajo unas condiciones ambientales concretas [2].

El método combinado de Penman-Monteith es un nuevo método estandarizado para el cálculo de la

evapotranspiración para tener un riego óptimo dependiendo las necesidades del cultivo y se calcula como

se muestra a continuación:

Dónde:

ET0 Evapotranspiración de referencia (mm dia-1)

Rn Radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m-2 dia-1)

Ra Radiación extraterrestre (MJ m-2 dia-1)

G Fluido del calor del suelo (MJ m-2 dia-1)

T Temperatura media del aire a 2m de altura (ºC)

U2 Velocidad del viento a 2m de altura (m s-1)

es Presión de vapor de saturación (kPa)

ea Presión real de vapor (kPa)

Δ Pendiente de la curva de presión de vapor (kPa ºC-1)

Para el cálculo de la ecuación de Penman-Monteith se emplean datos meteorológicos de radiación solar,

temperatura del aire, humedad y velocidad del viento.

3.3 Clima

Para los cultivos de arveja estos tienen rangos de temperatura en los que la planta puede tener un buen

crecimiento y desarrollo. Su parte vegetativa es altamente resistente a heladas, llegando a soportar

temperaturas de hasta 0 ºC, claro está que pueden verse afectadas las hojas más tiernas de la planta, ya

en etapas posteriores puede verse mayor mente afectada como lo es en etapas de floración ya que la

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planta comienza a acumular los granos y es vulnerable a altas temperaturas mayores a 30º y a heladas

[3].

Los rangos más recomendados de temperatura para este tipo de cultivo varían entre los 15º y 22º grados

centígrados [4].

Para el cultivo de frijol lo primero que se estableció es la variedad a cultivar ya que en Colombia existe una

gran diversidad en cuanto a sus características [5] [6], las variedades consideradas a cultivar son el frijol

cerinza o cargamanto, ya que son variedades muy cultivadas y conocidas en el lugar donde se va a hacer

el cultivo.

Los cultivos de frijol no son muy resistentes a niveles de humedad muy altos, por esto mismo se

recomienda su sembrado en tierras inclinadas para que no se apoce el agua, generando daños en la planta

[7].

Los rangos más recomendados de temperatura para este tipo de cultivo varían entre los 15º y 22º grados

centígrados [6].

3.4 Suelo

Prefiere suelos equilibrados, ricos en materia orgánica, aireados, bien drenados, pero con cierta capacidad

de retención de agua.

El equilibrio químico de los elementos nutritivos se considera más favorable que una riqueza elevada de los

mismos. Niveles bajos de patógenos son igualmente indispensables para el cultivo.

Las propiedades físicas, de los suelos para estos tipos de cultivos leguminosas; son suelos de texturas

francas:

franco arcillosos

franco limosos

franco arenoso.

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Se encuentran varios tipos de estructura, predominando la estructura granular. Debido a estas

características, los suelos poseen muy buen drenaje interno y externo y una baja capacidad de retención

de humedad.

El cultivo de frijol requiere de cantidades altas de N, K y Ca y en una menor proporción S, Mg y P, por esto

mismo se requiere estar atento al crecimiento de las plantas en los cultivos para que en etapas de

aplicación de fertilizantes, se puedan suplir estas necesidades.

Componentes de la cosecha N P K Ca Mg S

Vainas 32 4 22 4 4 10

Tallos 65 5 71 50 14 15

Total 97 9 93 54 18 25

Tabla 1 Fuente: tomado de Flor, 1985. Exigencias minerales del fríjol [5].

3.4.1 los nutrientes

Son dieciséis los elementos necesarios para el crecimiento de la gran mayoría de las plantas y estos

provienen del aire y suelo circundante la tabla 2 muestra el listado de estos dieciséis elementos, por otra

parte la figura 1 muestra la composición elemental promedia de las plantas. El carbono es obtenido por la

planta durante el proceso de fotosíntesis, para todos los demás elementos la planta absorbe los nutrientes

de la solución del suelo [8].

Tabla 2. Listado de los 16 elementos necesarios para el crecimiento de las plantas [8].

Elemento Compuesto derivado Origen

Carbono (C) Dióxido de carbono(CO2) Aire

Hidrógeno(H) Agua (H2O) Agua

Oxígeno(O) Agua (H2O) Agua

Nitrógeno (N)

Suelo

Fósforo (P)

Potasio (K)

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Calcio (Ca)

Compuestos varios

Fertilizante

Abono animal

Aire- caso leguminosas(mediante

bacterias específicas)

Magnesio (Mg)

Azufre(S)

Hierro(Fe)

Manganeso(Mn)

Zinc(Zn)

Cobre(Cu)

Boro(B)

Molibdeno (Mo)

Cloro (Cl)

Figura 1. Composición elemental promedio de las plantas [8].

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Los nutrientes se dividen en dos categorías: macro-nutrientes y micro-elementos, los macro-nutrientes

están a su vez divididos en primarios y secundarios, La tabla 3 muestra el listado y clasificación de los

dieciséis nutrientes del suelo [8].

Tabla 3. Nutrientes del suelo [8].

Nutrientes del suelo

Macro-nutrientes Micro-elementos

Primarios Secundarios comunes Otros

Nitrógeno

Fósforo

Potasio

Magnesio

Azufre

Calcio

Hierro

Magnesio

Zinc

Cobre

Molibdeno

Cloro

Boro

Sodio

Silicio

Cobalto

3.4.2 Micro-elementos

Son micro-elementos el hierro, el manganeso, el zinc, el cobre, el molibdeno, el cloro y el boro. Estos

elementos son sustancias claves en el crecimiento de las plantas y son comparables a las vitaminas en la

nutrición humana. Son absorbidos en cantidades minúsculas, su rango de provisión óptima es muy

pequeño [8].

Algunos nutrientes benéficos importantes para algunas plantas son el Sodio (Na), por ejemplo para la

remolacha azucarera, y el Silicio (Si), por ejemplo para las cereales, fortaleciendo su tallo para resistir el

vuelco. El Cobalto (Co) es importante en el proceso de fijación de N de las leguminosas [8].

Algunos micros elementos pueden ser tóxicos para las plantas a niveles un poco más elevados que lo

normal. En la mayoría de los casos esto ocurre cuando el pH es de bajo a muy bajo. La toxicidad del

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aluminio y del manganeso es la más frecuente, en relación directa con suelos ácidos. Finalmente cabe

mencionar que un nutriente no puede ser substituido por otro [8].

3.4.3 Abono orgánico

El Abono orgánico mejora la eficiencia de los fertilizantes, es recomendado utilizar todas las fuentes

disponibles de nutrientes: excrementos de vaca, de cerdos, de pollos, desperdicios vegetales, paja, estiba

de maíz y otros materiales orgánicos. Sin embargo estos deberían ser convertidos en abono y ser

descompuestos antes de su aplicación en el suelo. Con la descomposición del material orgánico fresco, los

nutrientes del suelo, particularmente el nitrógeno, serán fijados provisionalmente; de este modo no son

disponibles para el cultivo posterior. La materia orgánica mejora la estructura del suelo y reduce la erosión

del mismo, tiene un efecto regulador en la estructura del suelo y le ayuda a almacenar más humedad,

mejorando significativamente de esta manera su fertilidad [8].

El abono orgánico a menudo crea base para el uso exitoso de los fertilizantes minerales. La combinación

de abono orgánico, materia orgánica y fertilizantes minerales, ofrece condiciones ideales para el cultivo

debido a que el abono y la materia orgánicos mejoran las propiedades del suelo y el suministro de

fertilizantes minerales provee los nutrientes que las plantas necesitan. No obstante, que el abono y materia

orgánicos a menudo no están disponibles en grandes cantidades y por sí solo no son suficientes para

lograr el nivel de producción que el agricultor desea, por lo tanto los fertilizantes minerales tienen que ser

aplicados adicionalmente [8].

3.4.4 Fertilizantes

Cualquier material natural o industrializado, que contenga al menos cinco por ciento de uno o más de los

tres nutrientes primarios (N, P2O5, K2O), puede ser llamado fertilizante. Los fertilizantes fabricados

industrialmente son llamados fertilizantes minerales [8].

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La presentación de los fertilizantes minerales es muy variada. Dependiendo del proceso de fabricación, las

partículas de los fertilizantes minerales pueden ser de muy diferentes tamaños y formas: gránulos, píldoras,

«perlados», cristales, polvo de grano grueso compactado o fino. La mayoría de los fertilizantes es provista

en forma sólida. Los fertilizantes líquidos y de suspensión son importantes principalmente en América del

Norte [8].

La figura 2 muestra el diagrama de flujo de la producción de fertilizantes, en esta figura se observa que el

amoniaco es sintetizado de los hidrocarburos, del nitrógeno atmosférico y del vapor, el dióxido de carbono

resultante puede mezclarse con el amoniaco para formar la urea. El ácido nítrico es hecho por oxidación

del amoniaco con el aire, por otra parte el ácido sulfúrico es producido por la quema del azufre en el aire.

La reacción la roca produce ácido fosfórico [8].

Figura 2. Diagrama de flujo de la producción de fertilizantes [8].

En la Tabla 4 se listan algunos fertilizantes simples con sus respectivos análisis de nutrientes, por otra

parte la Tabla 5 muestra el contenido aproximado de nutrientes en los fertilizantes multi nutrientes [8].

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Tabla 4. Análisis de fertilizantes simples [8].

Nombre Grado o análisis de porcentaje

N P2O5 K2O Mg S

Sulfato amónico 21 0 0 0 23

Nitrato amónico 33-34.5 0 0 - -

Nitrato amónico -cal 20.5-26 0 0 - -

urea 45 0 0 - -

Nitro-sulfato

amónico

26 - - - 15

Superfosfato simple 0 16-20 0 - 12

Superfosfato triple o

concentrado

0 46 0 - -

Fosfato de roca

molida

0 20-40 0 - -

Cloruro Potásico 0 0 50 - 18

Sulfato potásico 0 0 26-30 5-7 16-22

Kieserita - - - 16 22

Kieserita calcinada - - - 20 27

Yeso - - - - 16-18

Nitrato sódico 16 0 0 - -

Fosfato di-cálcico 0 35-42 0 - -

Escoria Thomas 0 16-20 0 1-3 -

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Tabla. 5. Análisis de fertilizantes multi nutrientes [8].

Tipo de

fertilizantes

%N % P2O5 % K2O

Fertilizantes NPK 5 - 26 5 - 35 5 – 26

Fosfatos amónicos

DAP

16-18 42-48 -

Fosfatos amónicos

MAP

11 52 -

Nitrofosfatos NP 20-26 6-34 -

Fertilizantes PK - 6 - 30 6 – 30

Los fertilizantes proveen nutrientes que los cultivos necesitan. Los fertilizantes permiten producir más

alimentos y de mejor calidad, los fertilizantes permiten mejorar la baja fertilidad de los suelos que han sido

sobre explotados, Se estima que, a escala mundial, aproximadamente el 40 por ciento (dentro de un

intervalo del 37 por ciento al 43 por ciento) del suministro proteínico de la dieta a mediados de la década de

los noventa tuvo su origen en el nitrógeno sintético producido por el proceso Haber - Bosch para la síntesis

del amoniaco. Las plantas toman nutrientes del suelo, si el suministro de nutrientes del suelo es amplio,

los cultivos probablemente crecerán mejor y producirán mayores rendimientos. Sin embargo si uno de los

nutrientes es escaso, el crecimiento de la planta será limitado y los rendimientos de los cultivos serán

reducidos. Con fertilizantes los rendimientos de los cultivos pueden a menudo duplicarse o más aún

triplicarse. Los fertilizantes además aseguran un uso más eficiente de la tierra y especialmente del agua.

Estas son consideraciones muy importantes cuando las lluvias son escasas o los cultivos tienen que ser

irrigados, en cuyo caso el rendimiento por unidad de agua usada puede ser más que duplicado. La

profundidad de las raíces del cultivo también puede ser aumentada, como se puede observar en la figura 3

[8].

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Figura. 3. Comparación entre las raíces de una planta con fertilizante y otra sin fertilizante [8].

3.4.5 Nutrientes en el suelo.

La descomposición del material rocoso forma los suelos y libera los nutrientes. El contenido mineral original

del material rocoso y la naturaleza e intensidad del proceso de descomposición determinan la clase y

cantidad de nutrientes que son liberados. Las arcillas (minerales arcillosos) y la materia orgánica (en menor

medida también los hidróxidos de hierro) retienen nutrientes en una forma disponible para la planta, es

decir los nutrientes están ligados a estos componentes del suelo (complejo de adsorción) [8].

La capacidad del suelo para retener una cierta cantidad de nutrientes (almacenamiento o capacidad de

adsorción) determina la fertilidad natural de un suelo. Los nutrientes tienen cargas positivas (+) (cationes) o

cargas negativas (-) (aniones). De acuerdo a estas cargas los nutrientes son atraídos por los minerales

arcillosos y la materia orgánica como bolitas de hierro atraídas por un imán. En la llamada solución del

suelo, el agua del suelo contiene los nutrientes en una forma disponible para las plantas. La raíz de la

planta puede absorber los nutrientes sólo en forma disuelta. De allí que dichos nutrientes deben ser

liberados del complejo de adsorción en la solución del suelo para ser efectivamente disponibles para la

planta [8].

En el suelo entonces existe un equilibrio (balance) entre los nutrientes adsorbidos en las partículas del

suelo y los nutrientes liberados en la solución del suelo. Si este equilibrio es alterado, por ejemplo por la

absorción de los nutrientes a través de las raíces de las plantas, los nutrientes son liberados del complejo

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de adsorción para establecer un nuevo equilibrio. En este proceso, los cationes son reemplazados por

Ca2+, Mg2+ procedentes del material sólido (nutrientes no disueltos) o por iones H+, mientras los aniones

son reemplazados por OH- (H+ + OH- = agua). Los nutrientes liberados se mueven de la solución más

concentrada en la proximidad del complejo de adsorción a la solución de más baja concentración en la

vecindad de las raíces. Este proceso de transporte de nutrientes desde el complejo de adsorción a las

raíces es llamado difusión [8].

En suelos dejados sin cultivar por algún tiempo (barbecho), los nutrientes liberados en la solución del suelo

se acumulan. Esto ocurre en particular con el nitrógeno derivado de la descomposición de la materia

orgánica. Este puede tener un efecto ambiental negativo, dado que en suelos con textura ligera, y bajo

condiciones de humedad, la mayor parte del nitrógeno acumulado sería lixiviado (arrastrado) al agua de

superficie (o se perdería debido a la des nitrificación del suelo); el potasio acumulado puede también

perderse por lixiviación [8].

En condiciones semiáridas, los nutrientes (por ejemplo: cloruros y sulfatos de sodio, calcio y magnesio)

pueden moverse, con la evaporación del agua, a la superficie y causar daños por exceso de salinidad a los

cultivos desarrollados después del período de barbecho. Sin embargo, los suelos viejos sometidos a la

acción del clima, que han perdido la mayoría de los cationes, tienen un gran excedente de cargas

negativas. Tales suelos retendrán los cationes de nutrientes aplicados [8].

La fuerza de atracción por el complejo de adsorción difiere con nutrientes diferentes (cationes y aniones).

Con cationes es influenciada esencialmente por la hidratación y por la carga que ellos llevan. El aluminio

(Al3+) es más fuertemente mantenido por el complejo de adsorción, seguida por los micro-elementos

metálicos (tales como hierro, manganeso, zinc) y potasio (K+), amonio (NH4+), calcio (Ca2+) y magnesio

(Mg2+). Con los aniones, el fosfato (PO4 3-), el cual es elevadamente inmóvil, es fuertemente mantenido

por las posiciones cargadas positivamente de ciertos minerales arcillosos y componentes del suelo como

calcio, hierro y aluminio. Por el contrario, el cloro (Cl-) y el nitrato (NO3-) tienden a permanecer en la

solución del suelo, permaneciendo móviles y moviéndose con el agua del suelo a las raíces (flujo de masa)

cuando las plantas absorben agua, o son lixiviados. El sulfato (SO42-), como el nitrato permanece

relativamente móvil y es también sujeto a lixiviación [8].

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Cuando el abono orgánico, el compost y los fertilizantes son aplicados en un suelo cuyo contenido natural

propio no puede suplir los nutrientes necesarios para el óptimo crecimiento de la planta, los fertilizantes

agregados se descomponen y disuelven, y sus cationes y aniones se comportan como se ha descrito

anteriormente. El proceso de la adsorción de los nutrientes y la liberación en la solución del suelo es muy

importante. En particular la diferencia en la fuerza de adsorción de los cationes y aniones tiene una

influencia importante en cómo y cuándo aplicar fertilizantes (en particular fertilizantes nitrogenados) a fin de

recibir la mayor eficiencia y evitar la contaminación por lixiviación [8].

La materia orgánica es capaz de adsorber más nutrientes que la cantidad comparable de arcilla. En

consecuencia, es importante aumentar la materia orgánica especialmente en suelos tropicales degradados

con menor poder de adsorción del componente mineral (por ejemplo suelos caoliníticos) [8].

3.4.6 Organismos del suelo

Las actividades de los organismos del suelo son indispensables para una buena fertilidad del suelo y una

buena producción del cultivo. La mayoría de sus actividades son beneficiosas para el agricultor, debido a

que estos organismos se descomponen para dar humus, reúnen partículas del suelo para dar una mayor

estructura, protegen las raíces de enfermedades y parásitos, retienen el nitrógeno y otros nutrientes,

producen hormonas que ayudan a las plantas a crecer y pueden convertir los contaminantes que se hallan

en el suelo [8].

Después de ser mezcladas en el suelo e ingeridas por las lombrices, las formas insolubles del

nitrógeno(N), fósforo (P) y azufre (S) contenidas en las partículas de la materia orgánica son convertidas en

formas disponibles para las plantas por medio de la actividad bacteriana. La actividad bacteriana puede

jugar un papel especial en el ciclo del nitrógeno [8].

22


3.5 Tipos de Riego

El siguiente es un análisis de los sistemas de riego que existen en agricultura, se analizan las ventajas y

desventajas de cada uno a fin de seleccionar uno de ellos.

3.5.1 Riego por gravedad.

Este sistema se considera de menor eficiencia, sin embargo con sistemas bien planeados (canales

revestidos, uso de polyhose, sifones, pendiente adecuada, tipo de suelo, longitud de surcos, etc.) en

ocasiones puede ser más eficiente que algunos de los sistemas presurizados en mal estado, este sistema

puede generar competencia en áreas metropolitanas entre el agua para consumo vs. Agua para

agricultura [9].

Figura 3. Riego por gravedad [9].

3.5.2 Riego por aspersión manual.

Es el sistema más económico de los sistemas presurizados aéreos, no es adecuado para cultivos con

altura (maíz dulce, tomate estacado), no es recomendado para cultivos en zonas de altas temperaturas,

debido a que propicia el ataque con hongos. Se pueden realizar aplicaciones de plaguicidas y fertilizantes

en el sistema, sin embargo, su eficiencia es baja comparada con el pivote central y aún más comparado

con el riego por goteo. No es necesario que el lote esté nivelado, sin embargo en pendientes muy

pronunciadas no funciona. Su eficiencia es mayor que el riego por gravedad [9].

23


Figura 4. Riego por aspersión [9].

3.5.3 Riego por pivote central

Estos son autopropulsados para trasladarse en forma automática e irrigar lotes de gran dimensión. Son

muy costosos, requieren poca mano de obra pero mayor especialización, no se adaptan bien a cultivos con

altura (por ejemplo maíz). Muy utilizados para el cultivo de la papa, dan buena uniformidad en los riegos, se

aplican plaguicidas y fertilizantes en forma simultánea. No es necesario que el lote esté nivelado, sin

embargo, con pendientes muy pronunciadas no funciona, no debe haber árboles u obstáculos de gran

altura por ejemplo, postes energía dentro del lote [9].

Figura 5. Riego por pivote central [10].

3.5.4 Riego por goteo

El sistema de riego por goteo es el método de aplicar agua en pequeñas cantidades en forma controlada a

la zona radicular de las plantas. Consiste en una serie de cintillas con emisores integrados que se colocan

sobre las camas, en donde se encuentran las plantas debido al alto costo. Normalmente se obtiene mayor

rendimiento y es más eficiente que los sistemas de riego por aspersión. Si se combina la fertilización,

24


irrigación y el uso de acolchados con un manejo adecuado, el incremento del rendimiento, calidad de

producto y precocidad se mejoran en forma drástica [9, 10].

Figura 6. Riego por goteo [10]

La razón principal para utilizar el sistema de riego por goteo es su bajo consumo de agua con respecto a

los otros sistemas, contribuyendo de esta manera al uso responsable del recurso ambiental, La tabla 6

muestra los porcentajes de consumo de agua dulce en cada sistema de riego agrícola, no se tiene en

cuenta el riego por pivote central aunque se presume que sea su consumo sea similar al de aspersión,

otras ventajas del sistema de riego por goteo son mostrados en la tabla 6.

Tabla. 6. Cuadro comparativo de los tipos de riego [11].

Atributos del sistema Goteo Aspersión Gravedad

Caudal emisor LPH LPM N/A

Presión de operación 4-60 PSI 30-90PSI Baja

Tiempo de riego Segundos,

minuto, horas

Horas Horas, días

Frecuencia de riego Diario Semanal Mensual

Nivel de filtración Malla 120- 200 Malla 20-80 Ninguno

Patrones de humedad (0.15-1,2 metros) (1.5 a 30 metros) Amplio

Tasa de aplicación del

Sistema

Eficiente Moderado Baja

eficiencia

25


Uniformidad típica del

sistema

Excelente Moderada Mala

Capacidad para evitar mojar

áreas fuera del objetivo

Excelente Mala Mala

Capacidad para evitar

diseminación y germinación

de malezas

Excelente Mala Mala

Capacidad de dosificar con

precisión los nutrientes

Excelente Moderado Mala

Capacidad de evitar mojar el

follaje


Capacidad de automatizar el

suministro de agua

Excelente Mala Mala

Reducción en mano de obra

en labores de riego


Reducción de costos de

energía

moderado Media-Baja Baja

Permite labores de campo

durante el riego

excelente Mala mala

3.6 Generalidades del riego por goteo

El riego por goteo es una técnica artificial que data de 1880 en Alemania, pero comienzan a imponerse

hacia 1930. Éste es un sistema de riego que va en aumento ya que sus ventajas son superiores a los

inconvenientes, referidos al riego por aspersión [12].

Con el sistema de riegos localizados o por goteo, se pretende mejorar inconvenientes que tienen otros

sistemas como son:

La posibilidad de dosificar mejor el agua de riego.

Labores costosas de nivelación y preparación del suelo para regar.

26


Facilitar la mecanización de las labores del cultivo, así como su recolección.

Evitar pérdidas del producto consecuencia de la evaporación.

Una de las mayores ventajas del riego localizado es el ahorro de agua. En lo referente a las pérdidas, la

localización se consigue conduciendo el agua por medio de las tuberías y aplicándola muy cerca de la

planta, con esto se eliminan las pérdidas por infiltración y evaporación en los canales, acequias y surcos,

por lo cual supone un gran ahorro de agua [13].

Figura 7. Modelo de un sistema de regadío por goteo

3.6.1 Intervalos de riego

Realizar el cálculo de los tiempos de riego para cualquier cultivo es fundamental para así evitar perdida en

la producción del producto.

Los tiempos de riego se obtienen mediante el cálculo de la fórmula de Penman-Monteith que son las

pérdidas de aguas diarias y la dosis práctica de riego como se muestra a continuación.

Nº DE GOTEROS / m² = 1 / (a × b)

Dónde:

a Distancia entre goteros de la misma línea (m)

b Distancia entre las distintas líneas de riego (m)

27


Figura 12. Distancia entre los goteros de la huerta

3.7 Selección de componentes del sistema de riego.

Los componentes del sistema de riego son: Fumigación, riego, mangueras y válvulas.

3.7.1 Cintillas, válvulas y tuberías.

La Cintillas comúnmente utilizada es calibre 4, 6 y 8, siendo la cintilla de calibre 8 la más costosa y más

resistente. Se manejan a presiones de 10 a 15 psi. En suelos arenosos no debe enterarse la cintilla, debido

a que la humedad no sube a través de la capilaridad del cultivo ocasionando la muerte de plántulas recién

trasplantadas, para este proyecto se seleccionó la cintilla calibre [9].

Los tipos de válvulas a utilizar y sus características son mostrados en la tabla 7 para este proyecto se

seleccionaron las válvulas de agua y gas tipo multiuso [9].

28


Tabla. 7. Tipos de válvulas [9]

Tipo válvula Características

Válvula Check Sistema de protección obligatorio, objetivo es evitar

la contaminación de mantos acuíferos, debe

inmediatamente después de la bomba

Válvula de aire Necesario para un flujo de agua en la tubería sea

normal, evita que las tuberías se rompan. Deben ir

en las partes más altas del área de cultivo.

Regulador Reguladores de presión y expulsión de emergencia

Válvulas de agua Controlan el flujo de agua

Finalmente otros componentes importantes del sistema de riego por goteo son la tubería y las mangueras;

la tubería puede ser hecha en PVC y puede ser de dos tipos de conducción primaria y de conducción

secundaria, si la tubería es de dos pulgadas puede conducir cuatro litros por segundo, si la tubería es de 6

pulgadas puede conducir 36 litros por segundo, y las mangueras son de tipo lay flat y conectan el flujo de

la tubería secundaria a las cintillas de riego por goteo. La figura 9 muestra ambos tipos de conducción de

agua el primario y el secundario, para este proyecto se seleccionó la tubería calibre de media pulgada [9].

Figura 9. Tubería de conducción primaria y secundaria [9]

29


3.7.2 Selección del sensor de humedad.

A continuación se seleccionan los componentes electrónicos que permitirán la automatización del riego por

goteo, en primera instancia el tipo de sensor de humedad a utilizar. Se seleccionó el sensor SEN 0-114.

Tabla 8. Comparación sensores de humedad [14]

Tipo de Sensor Característica Precio

SEN 0-114 Consumo Energía.

3.3V

Consumo corriente 35 mA.

(Azul: Salida análoga)

(Rojo: Power)

(Negro: Tierra)

Uso en suelos

Rango de valores:

1. 0 ~ 300: suelo seco.

2. 300 ~ 700: suelo húmedo.

3. 700 ~ 950: en el agua.

COL$13.000

HIH-4030-SF Consumo de corriente 200 uA

Uso en sistemas de refrigeración

COL$43500

HIH-4000-002 Consumo de corriente 200 uA


COL$58700

3.8 Selección de componentes electrónicos del sistema de automatización.

3.8.1 Características de la tecnología ZIGBEE

El término ZIGBEE describe un protocolo inalámbrico para la conexión de una red (WPAN) Red de Área

Personal Inalámbrico. Este protocolo es diferente de los otros estándares inalámbricos, y ha sido diseñado

30


para soportar un diverso mercado de aplicaciones con una conectividad más sofisticada que los anteriores

sistemas inalámbricos.

La razón de promover un nuevo estándar, es para permitir la interoperabilidad entre dispositivos fabricados

por compañías diferentes, en donde el estándar IEEE 802.15.4 solo contempla las capas PHY (Physical

Layer) y MAC (Medium Access Control); las capas NWK (Network Layer) y APS (Application Layer) han

sido establecidas por la alianza ZIGBEE.

Las características atribuidas a este novedoso protocolo inalámbrico para transporte de datos por

radiofrecuencia son:

Doble capa física (2.4GHz y 868/915MHz)

Velocidad de datos 250kbps (2.4GHz), 40kbps (915MHz), y 20kbps (868MHz)

Optimización de la energía debido a su bajo ciclo de trabajo (1%)

Baja tasa en la transmisión de datos para dispositivos como sensores debido a su bajo ciclo de

trabajo.

El método de acceso al canal CSMA-CA

Rango: 10 a 75 m1

GTS (Guaranteed Time Slots) opcional para aplicaciones que requieren baja latencia.

Direccionamiento:

- 18,450,000,000,000,000,000 dispositivos (64 bit para direcciones IEEE)

- 65,535 dispositivos

Multiples topologías: Star, cluster, tree, mesh

Bajo requerimiento de energía.

Cada una de las aplicaciones de Zigbee tiene diferentes necesidades de ancho de banda, costos y

procedimientos de instalación. Las mayores preocupaciones son satisfacer la necesidad de compartir

conexiones de alta velocidad.

La arquitectura Zigbee debe permitir el diseño fácil y el desarrollo de los dispositivos baratos y de baja

potencia. La interoperabilidad debe ser considerada como una de las razones principales para la

estandarización por lo que la arquitectura debe definir el stack de tal manera que la terminología esté

normalizada. La arquitectura también debe permitir versiones actualizadas y extensiones en el futuro.

31


Zigbee se ha implementado en la banda mundial de 2.4GHz, sin la necesidad de licencias, o en una de las

bandas regionales de 868/915 MHz. El espectro de radio sin licencia, esta designado por un acuerdo

internacional y pone la carga de adhesión de la especificación sobre el fabricante del equipo.

Las frecuencias 868/915 MHz y 2.4GHz tienen buena penetración tanto a través de paredes como de

techos, aunque tienen un rango limitado. La limitación de rango es realmente deseable para reducir las

interferencias.

El estándar Zigbee debe permitir una transferencia de datos de 250Kbps y de 20Kbps. Esto representa la

cantidad de datos que puede ser transferida cuando la cabecera de la trama de datos se ha retirado. El

hardware Zigbee debe poder comunicarse sobre un rango de 10 a 75 metros. Un hardware típico a 2.4GHz

presenta una distancia de trabajo hasta 30 metros dentro de un edificio y más de 100 metros en un campo

abierto [15].

3.8.2 Modos de operación del Zigbee

Modo Beacon-habilitado

Cuando el coordinador PAN selecciona el modo de beacon-habilitado, usa la estructura de superframe

para manejar la comunicación entre los dispositivos. El formato de la superframe está definido por el

coordinador PAN, y dicho formato se lo envía periódicamente dentro de una trama beacon al resto de

dispositivos.

Modo Beacon- no habilitado

Cuando el coordinador PAN selecciona el modo de beacon-no habilitado los dispositivos pueden enviar sus

datos mediante el mecanismo CSMA/CA no ranurado. En este tipo de modo no se utilizan superframes.

3.8.3 Transmisión y recepción de datos

La transmisión de datos depende del modo de operación de la PAN. En una PAN con beacon-habilitado un

dispositivo que desee transmitir información debe localizar tramas beacon de su coordinador y enviar la

información de acuerdo con la estructura de la superframe usando CSMA/CA ranurado.

32


En una PAN con beacon-no habilitado los dispositivos usan CSMA/CA no ranurado y la recepción de datos

del dispositivo puede recibir transmisiones de otros pero solo aceptara las tramas que estén dirigidas hacia

él.

3.8.4 Motores pasó a paso

Es en esencia un conversor electromecánico, que transforma energía eléctrica en mecánica como todo

motor. Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicarle una tensión, el motor paso a paso

gira un determinado ángulo de forma incremental (transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro

controlados), lo que le permite realizar desplazamientos angulares fijos muy precisos (pueden variar desde

1,80º hasta unos 90º). Son motores ideales cuando queremos un buen posicionamiento con un elevado

grado de exactitud y/o una muy buena regulación de la velocidad, lo que permite que se pueda lograr

obtener exactitud a la hora de mover el riego de fertilizante en cada planta.

3.9 ANTECEDENTES

A continuación se presentan algunos antecedentes de proyectos similares realizados en Colombia y el

extranjero.

3.9.1 Proyectos implementados con tecnología Zigbee

Para el estudio de los antecedentes y los diversos proyectos desarrollados en el tiempo que fueron

diseñados o planteados con el fin de dar una solución a un problema de carácter igual o similar al de

nuestro caso, tenemos que son muchos los aspectos que se asemejan para la elaboración de este

proyecto, como primera medida tenemos un sistema que se desarrolló en el año 2010 y se trata de un

control de temperatura que se monitorea y controla por medio de Zigbee aprovechando las ventajas de

este, por su trabajo inalámbrico, en dicho trabajo se presentan las ventajas que podrían presentarse al

aplicarlo como control de problemas de incendios y las ventajas o bondades que presentan los sensores

33


inalámbricos basados en Zigbee, tales como los diferentes transreceptores de baja potencia o sus

propiedades de aislamiento, su precisión y su fuerte inmunidad electromagnética, los cuales son aspectos

fundamentales muy importantes en las aplicaciones de medidas y control ya sea de temperatura, presión,

humedad etc. Del mismo modo evitan problemas de cableado que se podrían presentar, como el hecho

que se gaste o dañe el cableado ya sea por las temperaturas muy elevadas y así se asegura seguridad al

momento de trabajar con este sistema, ya que es fundamental realizar mediciones en tiempo real para

tener una buena vigilancia de los datos proporcionados para la toma de decisiones ya sea para este

proyecto con respecto a los incendios o de igual forma el que se pretende desarrollar para mantener un

estricto control de las plantas a tratar, porque la fiabilidad y seguridad de este tipo de proyectos dependen

de la seguridad como se tomen los datos, para las posteriores decisiones. En el caso del proyecto

nombrado anteriormente toman el sensor y analizan el factor de escala lineal que posee, para poder

proceder a hacer un análisis de cómo poder implementar esos datos a la hora de generar el respectivo

código a implementar, también eligen los demás componentes necesarios para el diseño del proyecto tales

como el microprocesador, el modulo LCD, y el sensor entre otros componentes adicionales que se

utilizaron. Básicamente toman los datos generados por el sensor para luego convertirlos a forma digital,

para que luego el microprocesador transmita esos datos por medio del módulo ZigBee a un ordenador.

También se especifica ciertos datos de compilación y lenguaje de programación utilizados para el

desarrollo de dicho proyecto [16].

Prosiguiendo con el análisis de proyectos afines se tiene el diseño de un sistema de seguimiento de

temperatura ZigBee en una red de sensores inalámbricos publicado en el año 2011, en donde dicha

propuesta pretende generar un monitoreo por medio de la recolección de datos gracias al módulo de

transmisión inalámbrica, para implementar en invernaderos ,en donde se resumen algunos pasos en el

comportamiento de todo el proceso para poder establecer el monitoreo de los datos de temperatura

deseados, en donde se tiene el sistema de red inalámbrica que incluye el sensor de temperatura, seguido

de un módulo de adquisición, luego un módulo de transferencia y por ultimo un módulo de visualización,

para lograr este propósito se desarrolló una red de monitoreo por ZigBee donde hay un coordinador que

recibe los datos de los sensores para posteriormente analizarlos en un ordenador especificando, dichos

datos entrarían por el puerto serial. También generan una descripción del comportamiento de cada nodo y

las componentes asociadas a cada uno de los sensores, cada nodo contenía tres acciones que cumplir

para que los datos pudieran llegar a cabalidad a su destino. Los módulos que se utilizaron en el proyecto

fueron uno de adquisición, de memoria (asociado al microprocesador), y por ultimo uno de comunicación

34


que para tal caso estaría refiriéndose al sistema inalámbrico, adicionalmente un diagrama de flujo fue

diseñado para poder generar y especificar la totalidad del proceso para adquisición de los datos que se

deseaban obtener, lo mismo que un diagrama de flujo para el proceso de recepción [17]. Lo que se puede

observar de estos dos artículos es la relación de adquisición de datos y proceso de envió, los cuales están

fuertemente relacionados con el modo a operar para la solución del proyecto a desarrollar, puesto que la

recogida de datos de humedad y el análisis que se pretende elaborar para la solución del cuidado de la

fresa es muy importante y viendo los resultados y los pasos de elaboración de estos sistemas de control y

monitoreo pueden dar una mirada más crítica y segura de cómo se puede proceder a efectuar una solución

confiable al problema.

Caso aparte un artículo de suma importancia elaborado en el año 2011 donde se diseña un sistema de

monitoreo de presión en una red de sensores inalámbricos por medio de ZigBee (Es importante estudiar

artículos que permitan tener una mirada clara de cómo proceder y trabajar con sistemas ZigBee debido a

que este sistema es el que se va a implementar en el proceso del proyecto) donde se hace hincapié en el

ahorro de energía aprovechando los estados de reposo del sensor, generando opiniones satisfactorias

sobre los bajos costos de la implementación y utilización de la red inalámbrica ZigBee, además de su

ventaja en factores críticos como para el caso de lugares de difícil acceso y su tamaño lo suficientemente

pequeño el cual permite una mejor implementación en diferentes tipos de lugares acomodándose de buena

manera a los espacios, lo que es favorable en la implementación e instalación en casi cualquier aplicación,

se presenta en la elaboración del circuito, la fuente de alimentación y los amplificadores asociados a los

sensores para que la gama de salida de voltaje sea mayor, también se tiene un maestro o coordinador de

toda la red el cual se compone de un microprocesador, una fuente de alimentación, un módulo de

recepción y un convertidor de nivel donde hacen referencia a su posible aplicación en edificios inteligentes

y su utilización en incendios [18] para lo cual es una importante referencia al aplicarla en el manejo del

agua que le puede llegar a las plantas de fresa que se van a trabajar.

3.9.2 Proyectos implementados utilizando PSoC

Para los procesos de riego por goteo en Colombia son muy pocos los avances en ello por eso la

importancia de desarrollar sistemas competentes que nos permitan estar a la altura de mercados cada vez

más exigentes y competitivos.

35


Para ello se estudia un artículo en donde se diseña una unidad de control de riego por goteo utilizando

PSoC dicho artículo tiene una fecha de publicación del año 2009 elaborada en la India, donde se pretende

automatizar los sistemas de riego para dar soluciones a problemas de sequía y así tener un mejor

rendimiento en los cultivos haciendo referencia o hincapié a sistemas de siembra por hileras donde estos

cultivos requieren ciertas cantidades de humedad constantes para mantener las plantas en su mejor

desarrollo y crecimiento e identificar ciertos problemas y brindan una solución a dicho sistema (por hileras o

surcos) donde solo se suministra el agua en los puntos donde van las semillas dejando las áreas entre

surcos secas para evitar el crecimiento de maleza, de la misma manera brindar información importante de

las ventajas de sistemas de riego por goteo tales como evitar que el agua se evapore antes de penetrar el

suelo, como los métodos de siembra por hileras son más utilizados en cultivos de alimentos como cereales

o tubérculos como la papa estos requieren de fungicidas, lo cual otros sistemas de riego pueden generar

que estos químicos sean retirados de la planta en el respectivo riego, por lo que el sistema de riego por

goteo favorece este y muchos otros aspectos de cosecha de alimentos. También se explica la importancia

de los tamaños y conexiones de los tubos a implementar en el cultivo, evitando problemas de presión de

agua y así la irrigación en el cultivo pueda ser más uniforme, al igual que las cámaras que se utilizan para

regular el agua y su presión al salir por las tuberías, donde por medio de sensores distribuidos se recogen

datos tanto de humedad como de temperatura, en donde información llega a un micro controlador y por

consiguiente a un control de estado actual de las válvulas y visualizado en un módulo LCD, donde dichas

válvulas son solenoides y están controladas por el núcleo micro controlador por medio de controladores de

relé, aprovechan este sistema a la vez para mesclar con el agua pesticidas como también fertilizantes

ahorrando así procesos de fumigación y abonado en el cultivo, también adjuntan un medidor de flujo para

tener datos de las cantidades de agua totales utilizadas en los riegos, del mismo modo el uso de un

temporizador que se utilizada en caso de fallo de los sensores para determinar un tiempo límite de riego y

así pueda detenerse el riego o la irrigación. Se nombran las cintas de goteo laterales y las variadas que

pueden encontrarse para estos tipos de regadío según el tipo de cosechas, por último se consideran

cálculos con respecto a los consumos de agua por cultivo según su clase y tipo de cosecha, las distancias

entre hileras y el tamaño de estas al igual que los tiempos que se mantiene el regadío, y las ventajas de

automatizar los sistemas de riego para reducción de costos y mejor control de los cultivos [19].

36


3.9.3 Sistema implementado con base en una red inalámbrica

Otro de los sistemas de riego implementados y de gran valor de información es un diseño elaborado en

china en el año 2011 donde se plantea el diseño de un sistema red de control inteligente para irrigación por

goteo donde se plantea los problemas de los sistemas de regadío en ese lugar y las preferencias de la

gente por algunos métodos de regadío dado el ahorro de agua, donde se proponen la ubicación de n

cantidad de válvulas electromagnéticas comunicadas con n campos de control los cuales van a estar

comunicados por medio de sensores inalámbricos a un número n de campos de control los cuales van a

estar comunicados por medio de una red inalámbrica a una estación de control maestra, donde esta

monitoreara las anteriores fases del proceso. Las sub estaciones se encargarían de medir en tiempo real

los niveles de humedad, temperatura, intensidad lumínica del sol para realizar un análisis de las cantidades

de agua a enviar al cultivo, allí el campo de control se encarga de los interruptores que activarían las

válvulas para el regadío y a su vez comunicándose con la sub estación por medio de los sensores

inalámbricos. En dicho sistema se usan dos sistemas de redes de comunicación inalámbrica entre el

campo de control y la sub estación de control, planteando así un diagrama de flujo que analizara y

comparara las fallas y los datos para toma de decisiones [20].

Por otra parte es de suma importancia los proyectos enfocados al manejo de motores paso a paso debido

a que para el desarrollo del proyecto es importante que cada motor tenga la capacidad de colocar el riego

de fungicidas e insecticidas de forma correcta en cada planta, para ello se cuenta con un trabajo de

investigación en donde se trabaja el control de motores paso a paso por medio de micro controladores

mediante él envió de secuencias de impulsos al devanado del motor, lo que permite controlar tanto la

velocidad como el sentido de rotación de estos, permitiendo así generar algoritmos que permiten un mejor

manejo de estos motores y un envió de señales correctas para que su movimiento sea más preciso, de

manera tal que es de utilidad al momento de controlar el riego de fertilizante en el cultivo. [21]

Tal como en el anterior trabajo son muchos los artículos de interés que permiten mejorar la panorámica de

control de sistemas operados por motores pasó a paso y los diferentes tipos de motores que se podrían

implementar en algunos casos su control y trabajo dependiendo de la labor que deban desempeñar y de

37


sus ventajas y rendimiento para diseños tanto de rotación como de traslación el cual es importante para el

diseño de riego de fungicidas e insecticidas debido a la ubicación y la forma de sembrado de las plantas lo

cual requiere que el sistema se traslade de forma tal que cada una de las plantas sea fumigada. [22]

En si se han desarrollado he implementado proyectos de regadío de manera automática para cultivos

cereales, pero en muchos casos estos proyectos son para cultivos extensos, y se realizan con sistemas

controlados por PLC, son sistemas de un costo alto a los cuales no todas las personas puede acceder,

por ende se desea realizar el diseño de un sistema a bajo costo comenzando con un cultivo de tamaño

pequeño para analizar la viabilidad de este en aplicaciones de cultivos de grandes extensiones.

3.9.4 Automatización de un sistema de riego mediante un PLC S7200

Los ingenieros Daniel Gutiérrez, Paul Muñoz, Arturo Suarez de la Escuela de Ingeniería Meca trónica de la

Universidad Ricardo Palma en Perú implementaron un sistema de riego automático controlado mediante un

PLC s7200, mediante el cual ejecutaron el riego cada seis horas, se incorporaron en el sistema sensores

de humedad y sensores de luz LDR, los cuales enviaban la transducción de sus respectivas señales al

controlador PLC, el PLC a su vez enviaba una señal que activaba la apertura o cierre de una

electroválvula. En este proyecto se logró mejorar el consumo diario de agua para regadíos en un 71%

aproximadamente, de acuerdo con los estudios previos y posteriores al respectivo proyecto. [23].

38


4 METODOLOGÍA

En este punto del capítulo, se hace una descripción de la metodología implementada para el diseño,

instalación e implementación del sistema de riego y fertilización del cultivo de cereales, haciendo una

explicación de cada paso, los elementos utilizados y considerados en cada fase del diseño del sistema de

automatización.

La planeación e investigación de este sistema requirió más que todo de datos aproximados en sus inicios

ya que las bases que se tienen de cantidades y cuidados de cultivos en la zonas Cundiboyacense son muy

pocas, haciendo de este proyecto un trabajo cuasi experimental, dando como resultado que en sus inicios

se tuviera que probar con muchos valores y variables hasta obtener resultados cada vez mejores o

favorables, en la figura 10 se muestra un diagrama que describe la metodología implementada para el

diseño e implementación del proyecto. En este diagrama metodológico, en su primera parte se estudia el

cultivo como tal, como se va a hacer la siembra, como se comporta el suelo y las propiedades de este,

donde y como se van a sembrar las primeras semillas, y un pequeño estudio para tener una base de

información con respecto al trato adecuado de las plantas, en este mismo punto se analiza toda esa

información, para elegir la opción u opciones más adecuadas en la implementación de sistema de

automatización.

Cuando estén germinando las primeras semillas, se comienza a elaborar un plan de distribución del cultivo

y del proyecto, con el fin de poder tener un espacio organizado para así poder hacer comparaciones y

análisis de los mejores resultados.

De manera paralela se comienza a hacer el diseño del sistema que permita la adquisición de datos y el

control de las necesidades del cultivo (sensor - actuador) y su posterior fabricación o elaboración para que

por último se pueda ir al lugar del cultivo para su instalación, y estudio.

39


4.1 Tipo de investigación y Enfoque investigativo

El tipo de investigación que se seguirá en el proyecto será experimental en donde todos los conocimientos

adquiridos a través de artículos, revistas, libros y documentales serán planteados y puestos a prueba en un

cultivo de cereales. A continuación se presenta etapa por etapa la consecución del proyecto para su

culminación.

Etapa de estudio: se evalúa el lugar donde se implementara el sistema de automatización de

cuidado de plantas cereales, las propiedades del lugar, el entorno, sus condiciones climáticas, para

lograr una mejor relación entre el dispositivo y el entorno.

Etapa de distribución: se adecua el terreno de acuerdo a las necesidades y propiedades del

sistema, las plantas y los dispositivos de control.

Etapa de diseño: A través de todo el conocimiento adquirido en la carrera y con ayuda de algunos

textos empezaremos a realizar el diseño del prototipo para su posterior implementación. Primero

se realizará la caracterización del sensor de humedad para la obtención de valores constantes en

la humedad del suelo.

Segundo. Diseño de un circuito de control y amplificación que permita manejar las válvulas a

través de niveles de voltaje fijos.

Tercero. Diseño de un circuito de control para manejar los motores y válvulas que esparcen los

fungicidas o insecticidas a las plantas

Etapa de pruebas: Con la fase de diseño ya culminada se empezará a realizar la calibración y

pruebas del módulo para la transmisión RF de los datos con los que se va a controlar las válvulas

tanto de agua como de fertilizante.

Con ayuda de elementos del laboratorio de ingeniería se procederá a realizar las pruebas de

transmisión del sensor hacia el ordenador y del ordenador hacia la válvula, donde una vez

comprobado el funcionamiento se empezara con la etapa de implementación.

40


Etapa de implementación en campo: La etapa de implementación consta de varias sub-etapas

como se nombran a continuación:

Primero. Con ayuda del personal humano que realiza el seguimiento de las plantas, se procederá

a la instalación de mangueras principales y secundarias que permitirán el riego en los surcos de

estudio.

Segundo. Los ponentes del proyecto instalarán los sensores de humedad de forma estratégica

con el fin de cubrir las filas de estudio suponiendo que la humedad del suelo es constante en

todos los surcos a estudiar.

Tercero. Instalación de los circuitos de control en la válvula solenoide y en los sensores

previamente instalados.

Cuarto. Implementación de los rieles, motores y goteros para la fumigación en los surcos a

estudiar.

DIAGRAMA METODOLÓGICO

Figura 15

3. Diseño

1. Estudio

4. Instalación

2. Distribución

4. Prueba

Figura 10. Diagrama Metodológico

41


4.1.1 Estudio del lugar

Se realiza un estudio del lugar en donde se va a hacer la siembra del cultivo, que para este caso es un

municipio llamado Nuevo Colón, localizado en la provincia de Márquez en Boyacá su cabecera está

localizada a los 05° 21’ 30’’ de latitud norte y 73° 27’ 38’’ longitud oeste y una altura a nivel del mar de

2.500 mts, con una temperatura media de 16 °C [24], un lugar donde las características del suelo varían,

ya que es un pueblo localizado en una zona montañosa.

Temperatura máxima: máxima 20°C

Temperatura mínima: Mínima 3°C

Radiación solar: 4.5 promedio al día. Cal/cm2

Velocidad del viento: Moderada km/h

Humedad relativa:

La humedad relativa es considerablemente alta a mayor altitud como ocurre en algunas zonas altas del

pueblo a 3000 m.s.n.m. alcanzando un 87% como valor máximo y un 73% como valor mínimo. Igualmente

sobre los 2700 m.s.n.m. que se encuentra Nuevo Colón, la humedad relativa disminuye, alcanzando

valores mínimos de un 66% y aumenta gradualmente hasta el máximo de un 95%.

Tabla 9. Humedad relativa, valores mensuales estación Nuevo Colón [24].

Meses Ene Feb. Mar. Abril Mayo Jun. Julio Agos. Sept. Oct. Nov. Dic. Vr/año Prom/año 76 77 77 81 84 87 86 83 83 82 81 79 82 MaxmesMinmes 85

69 87 66

84 70

86 76

90 79

95 81

94 76

91 75

91 75

89 73

84 72

88 73

95 66

Fuente: IDEAM 1997

Figura 10. Mapa Nuevo Colon topografía y elevación (Izquierda), imagen satelital (Derecha)

42


4.1.2 Distribución del terreno

1

A

B

5

5

Vin1

Vin2

Vout1

Vout1

Vout2

Vout2

Controlador

6

7

8

9

1112

4

1

3

3

Figura 12. Plano de planta para la distribución del sistema.

El terreno se distribuye de la manera que se muestra en la figura 12, donde van organizadas tres filas de

cultivo de frijol y tres filas de cultivo de arveja, los surcos centrales son utilizados para la instalación del

sistema automatizado, que viene a controlar un surco de arveja y uno de frijol, y los surcos de los extremos

viene a ser surcos controles. En la figura 13 se puede observar la simbología utilizada para el plano de la

figura 12, y así aclarar qué función cumple cada elemento.

43


Vin1

Vin2

Vout1

Vout1

Vout2

Vout2

Controlador

1. Válvula

solenoide2. Válvula

manual

3. Línea de

tubería

4. Sensor de

humedad

5. Sensor de

temperatura

10. Sistema de

fumigacion

6. Grifo de

tubería

Línea de goteo

7. Circuito de

control

Figura 16

SIMBOLOGIA

C. Planta de

arvejaB. Planta de frijol

8. tanque de

agua

9. tanque de

fertilizante

12. ordenador

11. sistema

inalámbrico

XBee

Figura 13. Diagrama de simbología del plano de planta del sistema.

A. Preparación del terreno

Figura 14. Fotos del terreno antes y después del picado

44


Se cuenta con un terreno sin cultivar ya hace mucho tiempo, al cual se le hace un “picado” para

que la tierra quede blanda y se oxigene, siguiente paso se procede a quitar la maleza o hierba que

pueda quitarle nutrientes al cultivo, después se desinfecta la tierra con cal y ceniza para evitar que

babosas y demás insectos puedan hacer daño a las semillas y estas no puedan germinar, por

último se realiza la siembra, como se puede ver en la figura 15.

B. Elección de semilla y siembra

Figura 15. Siembra de las semillas de arveja y frijol

Las semillas que se eligieron fueron las más comunes sembradas en la zona y por consejo de la persona

encargada del cuidado del cultivo, la variedad de frijol escogido es uno conocido como “Cerinza”,

Al lugar se le hace un cercado para evitar que otros animales puedan afectar el crecimiento y cuidado del

cultivo, dicho cercado se hace con malla plástica dejando un espacio mínimo de 50 cm separado de los

surcos de siembra. Las dimensiones son de siete metros por cuatro metros y la altura de malla de casi dos

metros, se puede ver el resultado final del cultivo con el cercado en la figura 16.

45


Figura 16. Mallado del cultivo

4.1.3 Diseño

A. Sensores

Para la selección de los sensores a utilizar en el sistema se consideraron por su relevancia las siguientes

características:

C. C. Curva característica: curva que muestra la salida del sensor contra el parámetro medido.

Sensibilidad: viene siendo cambio en la salida del sensor por unidad de cambio en el parámetro

medido.

Recta representativa: grafico que muestra una comparación de los cambios tanto del valor

medido como del valor verdadero (valor ideal).

Resolución: son los cambios que se muestra a cada cambio del instrumento.

Exactitud: mide que tan cerca se está del valor verdadero con respecto al valor registrado por el

instrumento.

Precisión: mide que tan cerca están los valores al valor que más se repite (más probable).

46


B. Curva característica

Para cada sensor se realizaron mediciones, con instrumentos adecuados como un multimetro de precisión,

y se crea un entorno controlado para registrar cada cambio en estos dispositivos.

Para realizar las mediciones del sensor de temperatura LM 35 se diseña un mini horno con una bombilla

eléctrica de 120W que va calentando el entorno dentro del mini horno y a su vez al sensor, cada cambio en

el sensor se va registrando con el milímetro de precisión y con otro dispositivo se va registrando la

temperatura.

Figura 17. Medición de los cambios a la salida en el sensor LM35

Con los datos obtenidos posteriormente se realiza la curva de comparación con el valor de estimulación

hacia el sensor contra el valor medido en este.

Donde el grado de sensibilidad del sensor suministrado por el fabricante es:

Que como ejemplo tenemos que si la temperatura llega a ser de 15°C el valor medido en el sensor debe

estar en los 150

Otra de las características de este sensor que suministra su fabricante es su buen funcionamiento entre los

5 y 25 que resulta ser un muy buen rango debido a las condiciones climáticas del lugar donde se va a

instalar el dispositivo, donde sus temperaturas mínimas oscilan entre los 3°C y máximas entre los 20°C.

47


Conociendo la ecuación de la curva característica suministrad por el fabricante se tiene un valor de

sensibilidad de:

Figura 18. Curva característica del sensor LM35

Gracias a la herramienta de Excel se crea una gráfica de dispersión con los datos recopilados en el sensor

y se traza una línea de tendencia sobre la curva característica, para conocer la ecuación de dicha línea de

tendencia (se genera una línea de tendencia lineal debido a la característica de la curva).

Tomando cierta cantidad de datos medidos por nuestro sistema los comparamos con un dispositivo de

medición de temperatura para ver las diferencias y algunas características del mismo.

A la final del diseño del sistema se decidió no implementar dicho sensor ya que el aporte de información no

era relevante a la hora del estudio del cultivo y para reducir costos en la implementación del mismo.

48


Figura 19. Curva de resolución del sensor LM35

Con la figura 19 que muestra la resolución del sistema en cuanto a la medición de temperatura, se

observa una buena resolución, con respecto a la exactitud en su mayoría los valores medidos tiende a ser

similares a los reales por lo que su exactitud es alta. Con respecto a la precisión vemos que en algunas

partes de la gráfica los puntos están más separados que en otros, pero en su mayoría no están tan

dispersos, lo que nos muestra que el sistema tiene una buena precisión.

Continuando con las características de los sensores, luego de obtener los datos y graficas del

comportamiento del sensor de temperatura, se continuó con la adquisición de datos del sensor de

humedad para el terreno (SEN0114 sensor de humedad del suelo).

Se recolectaron muestras de tierra donde va el cultivo, que luego fueron puestas a cambios de humedad,

donde dichos cambios fueron registrados por los sensores para ver el comportamiento a la salida de los

mismos.

Dichos cambios en los sensores de humedad se tomaron por medio del mismo milímetro de precisión

utilizado para el sensor de temperatura (LM35)

En este punto se estudiaron distintos tipos de dispositivos y algunos vistos en el desarrollo de la carrera

como lo son las termocuplas o termopares las cuales están constituidas por dos hilos de diferente material,

los cuales se hallan unidos en un extremo sobre el cual se aplica la temperatura a medir y las otras puntas

de los hilos están abiertas, para permitir la medición de la fuerza termo electromotriz (ftem o fem) generada

en el sensor.

49


En la tabla 10 se pueden ver algunos tipos de termopares con sus respectivos rangos de precisión,

sensibilidad y rango de trabajo, se diría que por las condiciones ambientales del lugar de implementación

del proyecto el rango más adecuado de trabajo de estos termopares estaría en el Tipo B pero su precisión

es pobre comparada a la del sensor seleccionado para el proyecto.

Básicamente se eligió el sensor LM35) por su facilidad de uso, los rangos que maneja tanto de sensibilidad

como también de precisión para las temperaturas promedio que se quieren manejar.

Otro punto importante es que al investigar los precios y tipos de termocuplas en el mercado habían de

muchos tipos pero en su gran mayoría todas tenían un precio bastante alto comparado al del sensor

LM35), a diferencia de los termopares que tienen un precio bajo muy similar al del sensor utilizado.

Tabla 10. Tipos de termopares

50


Figura 20. Curva característica del sensor LM35

Con la herramienta de Excel se crea una gráfica de dispersión con los datos recopilados en el sensor y se

traza una línea de tendencia sobre la curva característica, para conocer la ecuación de dicha línea de

tendencia

Tabla 8. Comparación sensores de humedad [14]

Tipo de Sensor Característica Precio

SEN 0-114 Consumo Energía.

3.3V

Consumo corriente 35 mA.

(Azul: Salida análoga)

(Rojo: Power)

(Negro: Tierra)

Uso en suelos

Rango de valores:

1. 0 ~ 300: suelo seco.

COL$13.000

51


2. 300 ~ 700: suelo húmedo.

3. 700 ~ 950: en el agua.

HIH-4030-SF Consumo de corriente 200 uA


COL$43.500

HIH-4000-002 Consumo de corriente 200 uA


COL$58.700

Para la elección del sensor de humedad, el factor decisivo fue el precio debido a que los otros tipos de

sensores estaban por encima del presupuesto del proyecto, y para lograr los objetivos del proyecto en

cuanto a elaborar un sistema económico este sensor se ajustó bien a las condiciones de elaboración.

C. Micro controlador

Para el control del sistema en un principio se había pensado utilizar el micro controlador 908AP16ACBE,

debido a la empatía y al trabajo que se venía desarrollando sobre este dispositivo en algunos pasajes de la

carrera, otra de las ventajas de utilizar este dispositivo son las siguientes [25]:

32 pines configurables.

Opciones de oscilador RC o cristal oscilador de 1 a 8 MHz.

Memoria Flash de programa de 16K bytes y memoria RAM de 1024 bytes.

CAD de 10 canales con 10 bits de resolución.

Módulos de protección COP.

Frecuencia de operación de 8 MHz interno en operación a 5 voltios.

Módulo de comunicaciones seriales SCI de propósito general (SCI1).

Módulo de comunicaciones seriales SCI con decodificador infrarrojo.

Interrupciones externas.

timers de 16 bits, con 2 canales cada uno configurable como entrada de captura, salida por

comparación o PWM

Módulo de base de tiempo (TBM).

52


Debido a su cantidad de puertos y a su modo de operación este dispositivo parecía ser suficiente para

llevar a cabo esta tarea u otras de mayor dificultad.

Pero en etapas de diseño se optó por utilizar un dispositivo con características similares al micro

controlador 908AP16ACBE, en su defecto se utilizó el PIC16F877 el cual nos permite trabajar una mayor

cantidad de pines y su programación es muy familiar con los conocimientos adquiridos en las materias de

digitales.

Algunas de las comparaciones relevantes a la familia de los micros controladores PIC16F87X se muestran

en la tabla 11, de la cual se tomó en cuenta para la escogencia del micro controlador PIC16F877.

Características 16f873 16f874 16f876 16f877

Frecuencia máxima DC- 20MHz DX- 20MHz DX- 20MHz DX- 20MHz

Memoria de programa flash 4KB 4KB 8KB 8KB

palabra de 14 bits

Posiciones RAM de datos 192 192 368 368

Posiciones EEPROM de datos 128 128 256 256

Ports E/S A, B, C A, B, C, D A, B, C A, B, C, D

Numero de pines 28 40 28 40

Interrupciones 13 14 13 14

Timers 3 3 3 3

Módulos CCP 2 2 2 2

Comunicación serie MMSP, USART MMSP, USART MMSP, USART MMSP, USART

comunicación paralelo PSP PSP

Líneas de entrada CAD 10 bits 5 8 5 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones 35

Instrucciones 35

Instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de instrucción 14 bits 14 bits 14 bits 14 bits Tabla 11. Comparación de dispositivos de la familia PIC16F87X [27].

Otras de las ventajas de este dispositivo son las siguientes [26] [27]:

Hasta 40 pines configurables.

CPU RISC de alto desempeño

Set de 35 instrucciones

53


Todas las instrucciones son de un ciclo, salvo aquellas que incluyen saltos que son de 2 ciclos.

Velocidad de Trabajo: DC - 20 MHz, DC - 200 ns ciclo de instrucción

Memoria de programa FLASH hasta 8K x 14 bits, Hasta 368 x 8 bytes de memoria de datos (RAM)

Hasta 256 x 8 bytes de EEPROM Memoria de datos

Manejo de Interrupciones (hasta 14 fuentes)

Modo de direccionamiento directo, indirecto y relativo.

Watchdog Timer (WDT) con el reloj RC interno para mejor seguridad.

Protección de código programable.

Amplio rango de voltaje de trabajo: 2.0 V a 5.5 V

Dos módulos Capture, Compare, PWM

Capture es de 16-bit, max. Resolución: 12.5 ns

Compare es de 16-bit, max. Resolución: 200 ns

PWM max. Resolución: 10-bit

Convertidor Analógico a Digital de 10-bit multi- canal

En la figura 21 se muestra el diagrama del micro controlador utilizado, con su respectiva disposición de los

pines

Figura 21. Diagrama de pines PIC16F877 [26].

Para poder llevar a cabo un diseño ordenado, se crean varios algoritmos por medio de diagramas de flujo

que permitan describir el funcionamiento del dispositivo de control, así mismo organizar por medio de

estos diagramas la adquisición de datos, la organización de los puertos para recibir y emitir información, el

54


control para las válvulas encargadas del riego en el cultivo y así mismo el control para el dispositivo de

riego de fertilizante para que esté reciba y emita información de su operación, en la figura 22 se muestra el

diagrama de flujo de la lógica de funcionamiento del sistema para el micro controlador.

Seleccione Puerto

INICIO

Conectar

Puerto no

relacionado con el

sistema

Puerto

comunicado con

sistema

Control de

humedadAutomatico

Manual:

Tiempo de riego

Vs

TemporizadorTemporizado

Encendido

vs

Apagado

Tipo de control

Humedad

Vs

Referencia

Activar

Temporizado

=

encendido

Desactivar

Humedad

>=

referencia

SI

NO

SI

NO

Tiempo

<

Temporizador

SI

Desactivar

NO

Control de

fumigación

Tiempo

Vs

Temporizador

Tiempo

<

Temporizador

Activar Desactivar

Página 1

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA

NOSI

Figura 22. Diagrama de flujo del funcionamiento del sistema

En cuanto a la asignación de cada uno de los pines del micro controlador, se distribuyeron de la manera

siguiente.

55


Puertos PIC16F877 Asignación

RB1 Entrada fin de carrera 1

RB2 Entrada fin de carrera 1

RB4 Pines 2 y 15 del puente H 293B

RB5 Pines 7 y 10 del puente H 293B

RA0 (AN0) Sensor1 SEN0114




RB3 Control válvula de riego

RB6 Control válvula de fertilizante

RD(0..7) Pines D(0..7) LCD alfanumérica

RE1 Enable LCD alfanumérica

RE2 RS LCD alfanumérica

Tabla 12. Distribución de puertos en el micro controlador

Como se puede observar en la tabla 12, se organizan cada uno de los pines del micro controlador de

manera tal, que cada uno de estos pines se encargue de las distintas labores a manejar en el sistema de

riego y fertilización. Por ejemplo para los pines RA del 0 al 3 se deja la labor de controlar la recepción de

información con respecto a la humedad que hay en el terreno.

Nota: la información de humedad es tomada como el promedio de las cuatro mediciones de los cuatro

sensores de humedad que se encuentran en el sistema, de tal manera que se ejecutan las acciones

pertinentes con respecto al riego de goteo con los datos suministrados por estos cuatro sensores.

56


D. Emulación

Una vez obtenida la información que entrega el sensor, se busca acondicionar la señal con el fin de

obtener un valor de medida que sea proporcional o que sea función lineal del nivel de la magnitud que

afecto al sensor en las mediciones [28].

Figura 23. Proceso de emulación digital en la cadena de medida [28].

Para el cuantificador, CAD, este transforma la función de la magnitud medida en un código digital

representado como:

Donde es la resolución del CAD

Donde es el número de bits.

Tomando la ecuación , con una conversión de y un voltaje de referencia de tenemos:

Para hallar la conversión CAD del sensor de temperatura LM35 se realiza tomando el resultado de y

en y sabiendo que la sensibilidad témenos:

57


Esto indica que a cada cambio de temperatura se registra una variación de 0.51 bits que se almacenan en

la conversión

Para calcular la conversión del sensor de humedad SEN 4011 se procede de la misma manera que para el

sensor LM35 teniendo como resultado el tomar y en de la siguiente forma:

Esto indica que a cada cambio del % (%RH) de humedad se registra una variación de 2,15 bits que se

almacenan en la conversión

E. Comunicación inalámbrica ZigBee/XBee

ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas que fue diseñado por una asociación de más de

100 empresas, sin ánimo de lucro (ZigBee Alliance), creando así un estándar inalámbrico de bajo costo,

bajo consumo de energía, para redes inalámbricas de área personal WPAN, el cual está basado en la

norma IEEE 802.15.4 [30] [29].

Alguna de sus características más importantes y que se tuvieron en cuenta para su uso en el diseño del

sistema de regadío y fertilización son los siguientes:

Trabaja en una banda libre ISM de 2.4GHz, en la mayoría de casos con 16 canales disponibles

para la comunicación RF, siempre y cuando no supere los 100mW

Modulación O-QPSK, que consiste en realizar una transición de fase en cada intervalo de

señalización de bits, por cuadratura.

Velocidad de comunicación entre 20KBs y 250KBs lo que resulta útil y funcional para aplicaciones

de domótica y automatización.

Rango de alcance de la comunicación de 10 a 100mts (para dispositivos de baja potencia 1mW).

58


Sensibilidad en el receptor de -85dBm en la banda en que opera (2.4GHz)

Direccionamiento de la red en formato de o 64 bits

Soporta diversas topologías de red típicas: punto a punto, estrella, malla, árbol.

Bajo consumo de energía.

Uso de bandas de radio libres y sin necesidad de licencias.

Bajo costo (como ya se había mencionado)

Los canales de comunicaciones cambian de forma automática cuando se presenta ruido en la

señal de comunicaciones.

Cifrado AES de 128 bits que provee conexiones seguras de la red en la que se encuentren los

dispositivos conectados a ZigBee.

Es un protocolo de comunicación multi-salto, es decir, que se puede establecer comunicación entre

dos nodos aun cuando estos se encuentren fuera del rango de transmisión, siempre y cuando

existan otros nodos intermedios que los interconecten, de esta manera, se incrementa el área de

cobertura de la red.

Figura 24. Módulo de comunicación Xbee [30].

59


En las muchas opciones de diseño para este proyecto se tuvieron en cuenta algunos aspectos en cuanto a

la transmisión de los datos, como también probar configuraciones para poder emitir la señal de manera

efectiva, otro de los análisis es la pregunta, ¿Qué pasaría si tenemos los cultivos alejados uno del otro? O

¿Qué pasa si tenemos cultivos de diferente edad o tipo, como podrimos separar las señales para

controlarlos?, por esto mismo se analizaron algunos dispositivos de la tecnología ZigBee, como también

unas de las configuraciones que más llamaron la atención y que se pueden utilizar dependiendo de la

organización de los cultivos en el terreno.

Conexión del sistema XBee

Las conexiones mínimas que se requieren para la utilización del sistema XBee y para su posterior

configuración son; una alimentación para este dispositivo (pin 1), entre los 2,8V y 3,8V, la respectiva

conexión a tierra (pin 10) y las conexiones de comunicación o transmisión de datos UART (pin 2 TXD y pin

3 RSD), para la comunicación o con el controlador o un puerto serial según sea el caso, es una

configuración sencilla pero a su vez tiene algunas limitaciones como el no uso del control de flujo por lo que

se debe desactivar en el terminal y en el módulo de XBee, en la figura 25 se muestra como van

organizados los pines en el dispositivo XBee [ 31].

Figura 25. Distribución de los pines para XBee [31].

XBee maneja unos modos de operación muy similares a los ya explicados por ZigBee, que son los

siguientes:

60


Modo transmitir/recibir: cuando al módulo llega algún paquete RF a través de la antena o cuando

se manda información serial al buffer del pin 3 (UART Data in) que luego será transmitida, ya sea

de forma directa o indirecta; En el modo directo la información se envía inmediatamente a la

dirección de destino. En el modo indirecto la información es retenida durante un período de tiempo

y es enviada sólo cuando la dirección de destino la solicita [31].

Modo de bajo consumo: bajo consumo de energía cuando no se encuentra en uso.

Modo comando: Permite el ingreso de comandos al módulo Xbee, para configurar, ajustar o

modificar parámetros, como la dirección propia o la de destino, así como su modo de operación

entre otras cosas, el ingreso se comandos se hace necesario por medio del Hyperterminal de

Windows, el programa X-CTU 3 o algún micro controlador que maneje UART [31].

Modo API: permite el uso de frames con cabeceras que aseguran la entrega de los datos, al estilo

TCP. provee alternativas para la configuración del módulo y ruteo de la información en la capa de

aplicación del cliente. toda la información que entra y sale, es empaquetada en frames, que

definen operaciones y eventos dentro del módulo [31].

Modo transparente: conexión de sencilla configuración para el módem. Básicamente todo lo que

pasa por el puerto UART (DIN, pin 3), es enviado al módulo deseado, y lo que llega al módulo, es

enviado devuelta por el mismo puerto UART (DOUT, pin2). Existen básicamente 4 tipos de

conexión transparente. La diferencia principal radica en el número de nodos o puntos de acceso, y

la forma en que éstos interactúan entre sí.

Modo idle: cuando el modulo no se encuentra en operando en los anteriores modos

Por las características del proyecto y por la búsqueda de una configuración sencilla para el uso de estos

dispositivos, así como también el lograr tener un buen manejo del sistema, se eligió para la transmisión de

datos en el sistema el modo transparente, como bien se informa de este modo de operación hay cuatro

tipos de conexión, de las cuales dos fueron más aceptadas (punto a punto, cable virtual I/O), pero también

las otras 2 configuraciones son muy buenas para algunos casos que se puedan dar en un cultivo

(broadcast, punto a multipunto); si se tiene un pequeño cultivo cerca al micro controlador que maneja el

riego como la fertilización, se puede establecer una conexión punto a punto, que reemplaza una

comunicación serial por cable, logrando así acceder desde el ordenador al micro controlador del cultivo, de

una manera similar la conexión virtual Y/O crea una comunicación entre los pines de un módulo y otro

(como un cable virtual).

61


Pero si lo que se quiere es controlar múltiples cultivos con características similares que se encuentran

localizados en puntos diferentes, ya se podría utilizar una conexión broadcast, la cual permite enviar

información de un nodo a otro o a varios nodos en una misma red, donde la información recibida es la

misma para cada nodo. Suponiendo que si estos múltiples cultivos no son de las mismas características

(en diferentes etapas de crecimiento, o diferentes tipos de plantas), ya se podría utilizar una conexión de

tipo punto a multipunto que a diferencia de la anteriormente expuesta (broadcast), permite un mejor control

de cada módulo, ya que cada módulo cuenta con su propia dirección [31].

Como el dispositivo es un prototipo de control de un cultivo pequeño se elige:

Modo de operación transparente

Conexión virtual I/O

Nota: Si se contara con una alta producción del prototipo, variaría el tipo de conexión según los cultivos

en los que se instalará (como ya se explicó anteriormente para las conexiones; broadcast y punto a

multipunto), pero como en este caso solo se controla una matriz de plantas “parcela” la conexión

inalámbrica es sencilla.

En la figura 26 se muestra la gráfica de cómo se conectó el sistema XBee al micro controlador, se observa

coma las líneas de transmisión de datos de XBee van conectadas a las líneas de transmisión del micro.

Como el pin 2 (TX) del sistema Xbee, va al pin RC7 del micro (RX), de igual manera el pin 3 de XBee (RX)

va con el pin 6 del micro (TX)

Figura 26. Conexión de sistema XBee a los pines del micro controlador

62


F. Sistema de riego de insecticidas y fertilizantes

Para este sistema fueron muchas las ideas de diseño y funcionamiento, resultando muchas de ellas

inviables debido a su complejidad o costo, por esto mismo se definió en última instancia un sistema

sencillo, que costa de un pequeño carro que viaja de un punto A, a un punto B esparciendo sobre las

plantas el químico.

Para lograr que el carro viaje sobre las plantas del cultivo se diseñó una estructura de 2 metros de longitud

en donde va soportado el carro del riego de fertilizante, como se puede ver en la figura 27 y 28.

Figura 27. soporte de estructura de riego de fertilizante

Para la figura 27 se tiene uno de los dos soportes que permiten que se pueda colocar en su parte superior

un sistema de rieles, logrando asi que el carro pueda desplazarce libremente por ellos sin que sufra una

caida puesto que estan echos de tal manera que las ruedas del carro permanescan dentro del riel.

El la figura 28 se ve el sistema de soporte del carro con los rieles ajustados ensima de los dos soportes

que contienen al carro, a los finales de carrera, y al sistema de control.

63


Figura 28. Soporte con rieles para el carro de fertilizante.

Por ultimo en la figura 29 se puede observar como se ajusta el carro a los rieles para hacer su respectivo

movimiento a travez del cultivo.

Figura 29. Carro de riego.

G. Control de giro de los Motores DC

Existe una variedad de motores DC que permiten lograr el funcionamiento del sistema de riego, a

continuación se presentan ciertas características que llaman la atención a la hora del diseño del sistema.

Estos motores no tienen retención magnética, es decir tienen un giro suave, favoreciendo las tareas de

posicionamiento o control de velocidad.

La baja inercia del rotor de estos motores facilita altas aceleraciones y desaceleraciones. En tareas de

posicionamiento esto se traduce en menor tiempo para ir de un punto a otro, mejorando la productividad.

64


Tienen una reducida emisión electromagnética EMC (interferencias) debido a su bajo ruido eléctrico y una

vida útil más larga que los motores DC convencionales.

.

Alcanzan eficiencias del 90%: Utilizan casi toda la energía eléctrica consumida convirtiéndola en potencia

mecánica. Ideal para aplicaciones con baterías, o donde el consumo eléctrico sea un factor importante.

Relación lineal voltaje/velocidad, carga/velocidad, y carga/corriente. Esto significa que se puede calcular el

motor CC de manera sencilla y con fiabilidad. Su comportamiento es el mismo en todo el rango de

funcionamiento [32].

H. Puente H

Para poder hacer el control de giro de un motor DC de baja potencia, normalmente se suelen utilizar

transistores de potencia en configuraciones de puente H, de la siguiente manera.

Figura 30. Configuración H con transistores.

Driver de potencia L293.

El L293 es un circuito integrado que implementa el puente H, con características relevantes como son las

siguientes:

Alimentación unipolar de 5V para la lógica de control.

Alimentación de las cargas independiente (máximo 36V).

Señal de habilitación TTL para cada canal.

Corriente máxima de salida de 1A por canal.

65


Corriente máxima de pico de 2A por canal.

Alta inmunidad al ruido.

Protección contra sobre-temperaturas.

Este dispositivo tiene la característica de tener dos secciones que nos permiten controlar dos canales, cada

uno de estos canales pueden controlar un giro de motor, como se muestra en la parte derecha de la figura

31, pero para el desarrollo del diseño del sistema, se utilizan dos canales para hacer el control de giro

como se muestra en la figura 31 en su parte izquierda, este control de giro de este dispositivo tiene un

comportamiento muy similar al puente H mostrado en la figura 30.

Las conexiones de este dispositivo son las siguientes:

En el pin 1 y 9 se controla la velocidad de giro del motor, dependiendo de la señal PWM que se aplique a

este.

Los pines 2 y 15 van al pin RB4 del micro controlador, que se encargaran de determinar el giro en un

sentido de los dos motores (2 y 15 en 1, 7 y 10 en 0)

Los pines 7 y 10 van al pin RB5 del micro controlador, que se encargaran de determinar el giro en el otro

sentido de los dos motores (2 y 15 en 0, 7 y 10 en 1)

Los pines 3 y 6 van conectados al motor 1

Los pines 11 y 14 van conectados al motor 2

Los pines 4,5,13 y 12 van conectados a tierra

Para el pin 8 se conecta al voltaje VC que llevaran los motores

Y para el pin 16 se conecta a un volteje VCC que por lo general es de 5 v

Figura 31. Dispositivo L293 y sus conexiones a motores DC [27].

66


Nota: los diodos que se muestran en la figura 31, son diodos que evitan la aparición de picos de tenciones

procedentes de las bobinas de los mores y que pueden ocasionar el daño de los transistores o dispositivos

con los que se armen el puente H. Para el dispositivo L293 estos diodos están integrados internamente.

Para el funcionamiento de los 2 motores que controlan el movimiento del sistema de riego de fertilizante,

tenemos las siguientes señales que llegan a cada uno de los pines del dispositivo L293 en la tabla 13

Entrada Funcionamiento a

la salida

Pines 1 y 9 Pines 2 y 15 pines 7 y 10

A A B Giro a la izquierda

A B A Giro a la derecha

A A A Parada de motor

A B B Parada de motor

B X X Parada de motor

A = alto B=bajo X = no importa

Tabla 13. Señales de entrada L293

I. Finales de carrera

Los finales de carrera van controlados por el micro controlador en los pines RB1 y RB2 respectivamente,

esto con el fin de saber dónde está localizado el carro que se encarga de mover el tubo de riego de

fertilizante, puesto que para que dé comienzo el movimiento del carro tiene que estar este mismo activando

el fin de carrera 1, como en un estado de inicio. De igual manera estos fines de carrera permiten controlar

la cantidad de ciclos, y el espacio de riego de fertilizante, así como el cambio de giro de los motores.

J. Interfaz de Usuario

Para este proyecto se define una interfaz de usuario sencilla para que el usuario del proyecto tenga una

relación de comodidad y conformidad con el producto logrando así que cualquier persona pueda entender

el funcionamiento de la herramienta de manera rápida.

67


Figura 32. Pantalla de bienvenida

En las figuras 32 y 33 se muestra la interfaz de usuario creada para el control remoto por medio de un

ordenador, la imagen 32 muestra la pantalla de bienvenida del programa en la cual pide el puerto que se va

a utilizar para realizar la conexión con el sistema de riego, se selecciona el puerto y se da conectar, la

figura 31 muestra la pantalla de control en donde se puede elegir el tipo de control, si automático

manejando tiempos de encendido y apagado o por humedad registrada, o control manual seleccionando el

tiempo que se desea irrigar el cultivo. Aparte de este aparece en la pantalla en su parte derecha un control

de fumigación. Se explicara con más detalle esta interfaz en los anexos de manual de usuario.

Figura 33. Pantalla de control y selección.

68


5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1 Implementación en Campo

5.1.1 Instalación de mangueras principales y secundarias para el riego

Se decide instalar el sistema de riego por goteo a altura, colocando estacas con arquetas para sostener la

manguera que dejara pasar el agua para el riego en los surcos a controlar por el sistema, tal y como se

muestra en las figuras 34 y 35, y se asegura la manguera de riego con alambre dulce delgado.

.

Figura 34. Instalación de mangera de riego por goteo por altura (20cm)

Figura 35. Sistema instalado para los surcos automatizados de frijol y arveja

69


5.1.2 Instalación de sensores.

Se realiza la instalación de los sensores simplemente colocándolos en los surcos de prueba en lugares en

los cuales queden centrales y separados a una distancia similar, permitiendo saber el rango de humedad

del terreno. Figura 36.

Figura 36. Instalación de los sensores

Los sensores manejados por el sistema son cuatro, estos mismos dan un dato de humedad del terreno en

el cual son colocados, esa información el sistema lo toma y genera un promedio de humedad con la

información de los cuatro.

5.1.3 Instalación de válvulas y el sistema de control.

Las válvulas implementadas son válvulas solenoides de uso múltiple (figura 37), permitiendo controlar el flujo de líquidos y gases.

Figura 37. Válvula solenoide multiusos.

70


En la figura 38 se observa “la caja” de control del sistema, con sus respectivos conectores housing para la

realizar conexión de sensores, que son los conectores ubicados en la fila del sector izquierdo en la figura a

los cuales se encuentran conectados con cables rojos. Los demás conectores son:

Conector para los fines de carrera.

Conectores para los motores del sistema de fumigación.

Conectores para las válvulas

Por último dos led`s que indican el estado activo de alguna de las 2 válvulas y un potenciómetro que regula

la velocidad de los motores del carro de fumigación.

Figura 38. “Caja” de control del sistema.

Se instalan las válvulas, el armazón que sostiene el sistema de fumigación y el carro que realiza la

fumigación como se observa en la figura 39, en la figura derecha parte superior de “la caja” de control del

sistema se observa una pantalla LCD y la antena ZigBee que nos permite la comunicación con el

ordenador, para controlar el sistema.

Figura 39. Instalación del sistema (válvulas, caja de control, sistema de fumigación)

71


Figura 40. Sistema de riego y fumigación instalado.

Por último se observa en conjunto el sistema instalado y controlado por el ordenador en la figura 40, se ve

el carrito de fumigación en funcionamiento desplazándose a lo largo de los surcos automatizados de frijol y

arveja realizando la fumigación del químico para tratar las plantas.

5.2 Diseño del proyecto

5.2.1 Carro de fumigación

En las etapas de diseño del proyecto algunas variables no se tomaron en cuenta, y fueron notorias cuando

el sistema estaba siendo implementado.

72


Una de ellas, fue no tomar en cuenta que se requiere de una buena adhesión de las llantas del carro de

fumigación a los rieles para que este pueda avanzar, y así este no resbale y tenga un buen avance, al ser

diseñado el carro en acrílico su peso es muy liviano y a su vez se debe sumar que el sistema de

mangueras que se alimenta de fungicidas está instalado de forma aérea lo cual hace que el carro pierda

fricción con los rieles y por ende no pueda avanzar fisilmente, por esto mismo en su implementación fue

necesario colocar un peso muerto en el carro de fumigación para aumentar su adhesión a los rieles,

afortunadamente en el diseño se utilizaron motores de gran fuerza, y un control de velocidad que permitió

superar esa dificultad de manera satisfactoria.

Figura 41. Carro fumigación instalado.

En la figura 41 se observa cómo se coloca un peso muerto (ladrillo), en el carro de fumigación para

aumentar la adhesión de las llantas al riel, los motores se comportaron de manera satisfactoria ya que

permitieron el desplazamiento del carro de la manera esperada, aun con el peso extra.

5.2.2 Sensor de Temperatura

Aunque en sus inicios se pensó en implementar el sensor de temperatura en el proyecto e incluso se

caracterizó el sensor y se estudiaron distintos tipos de sensores, en definitiva se decidió el no agregar un

73


sensor de temperatura al sistema para reducir costos ya que en grado de importancia y consultando a los

cultivadores, se definió que no ameritaba su uso.

Figura 42. Sensor de temperatura LM 35

5.2.3 Siembra del cultivo

En cuanto a la siembra del cultivo hubo inconvenientes ya que por factores externos las semillas del surco

de frijol automatizado fueron comidas por algunas aves, y se realizó el re-sembrado, dando como resultado

un atraso en las pruebas del cultivo de alrededor de cuatro días, por esto mismo se evidencia una

germinación más temprana de las plantas sembradas en los surcos controles, que no se vieron afectados.

Figura 43. segunda semana.

Cultivo automatizado (izquierda) VS cultivo control (derecha)

74


A continuación se muestra en la figura 44 los tres surcos de arveja pasada la semana 8, en la parte

izquierda de la imagen se ve el surco automatizado comparado con los surcos controles (mitad y derecha),

que son surcos tratados de forma tradicional, para comparar los resultados con el surco automatizado.

Figura 44. Octava semana cultivo de arveja

Como se puede observar en la figura 44 a pesar que en las primeras 6 semanas la diferencia de

crecimiento de las plantas parecía ser la misma en todos los surcos de arveja, algunas plantas de los

surcos controles (tratamiento tradicional) se vieron afectadas, ya que no tuvieron un crecimiento parejo y

constante, como si lo fue en el surco automatizado, dado que la mayoría de sus plantas crecieron de forma

semejante, logrando así resultados satisfactorios.

El sistema casi permite garantizar que todas las plantas van a tener un trato similar y como el sistema

permite controlar el recurso hídrico según lo desee el cultivador las plantas no verían afectado su

crecimiento por falta o exceso del mismo.

75


Otra de las características vistas en la imagen es que las plantas del surco automatizado no se ven de

color opaco y amarillo en sus hojas como si se ven en algunas plantas de tratamiento tradicional

El daño fue menor en las plantas automatizadas tanto en frijol como en arveja comparado a las plantas de

tratamiento tradicional

En la figura 45 se observan los tres surcos de frijol pasada la semana 8, en la imagen de fondo se puede

observar el surco automatizado con el sistema diseñado, comparado a los dos surcos de frijol control

tratados de forma tradicional.

Figura 45. Octava semana cultivo de Frijol

Se Observa que el surco Control 2 de tratamiento tradicional, es el de mayor crecimiento y tamaño de las

plantas tanto en follaje como en altura de cada planta.

76


El surco Automatizado que se ve al fondo no registro un gran crecimiento de sus plantas pero logro tener

un rendimiento considerable ya que cada planta tuvo una buena florescencia y a su vez, sus semillas o

brotes tenían un tamaño muy bueno en cada planta. Ver figura 46

Figura 46. Brotes plantas de frijol surco Automatizado

Figura 47. Brotes plantas de frijol surcos de control

Mientras que en los surcos de frijol tratados tradicionalmente (Controles) se vieron plantas con buenos

brotes incluso mejores comparado a las plantas del surco automatizado, también se vieron plantas con

brotes de crecimiento bajo (que en cuyo caso no se esperaba por la apariencia de las plantas).

Al igual que en cultivo de arveja evidencia un crecimiento parejo en las plantas de frijol automatizadas al

igual que en su fruto ya que los brotes registraron un crecimiento similar el todas las plantas con un daño

muy bajo, a diferencia de los brotes en los surcos controles.

77


A continuación se muestra un comparativo de los brotes de cosecha de las plantas de arveja.

Figura 48. Brotes plantas de arveja, surco automatizado

Figura 49. Brotes plantas de arveja, surcos controles

El comparativo de brotes de cosecha de las plantas de arveja arroja resultados interesantes, ya que las

plantas que no se vieron afectadas por crecimiento o por la mancha amarilla que se ve en las imágenes,

tienen unos brotes buenos en tamaño y cantidad.

Una de las ventajas del cultivo automatizado es que en la mayoría de sus plantas los brotes tenían un

crecimiento bueno y parejo a diferencia de los surcos controles que en sus plantas los brotes no eran

78


constantes, ya que se observa brotes de muy buen tamaño y cantidad pero a su vez se ven brotes con

daño y tamaño reducido.

A continuación en la tabla 14 se muestra la altura promedio de las plantas de cada uno de los surcos al

igual que la humedad promedio de los dos Automatizados, hasta la semana diez.

Semanas Frijol Automatizado

Frijol Control 1

Frijol Control 2

Arveja Automatizada

Arveja Control 1

Arveja Control 2

Humedad Frijol Automatizado

Humedad Arveja Automatizada

1 60% 60%

2 2 cm 1,5 cm 60% 50%

3 6 cm 9 cm 8 cm 3 cm 2,5 cm 3 cm 75% 60%

4 10 cm 13 cm 12 cm 7 cm 6 cm 6,8 cm 50% 50%

5 16 cm 19 cm 19 cm 16 cm 14 cm 16 cm 50% 40%

6 19 cm 21 cm 28 cm 25 cm 24 cm 22 cm 40% 40%

7 23 cm 26 cm 33 cm 42 cm 34 cm 39 cm 75% 75%

8 24 cm 29 cm 36 cm 48 cm 36 cm 43 cm 60% 60%

9 28 cm 34 cm 38 cm 55 cm 39 m 47 cm 60% 60%

10 35 cm 40 cm 42 cm 63 cm 42 cm 50 cm 50% 50%

Tabla 14. Altura de surcos y promedio de humedad.

79


6 ANALISIS DEL MERCADO

6.1 Detección de la necesidad

Existe la necesidad de mejorar los procesos y tratamientos de cultivos en el país y poder diseñar sistemas

económicos y de fácil utilización de manera tal que todas las comunidades puedan tener acceso a dichos

sistemas, con el fin de lograr esto se diseñó este sistema de tratamiento de cultivos cereales, para poder

aportar y suplir la necesidad de investigar en este campo.

Ya que los sistemas de riego automáticos actuales en el mercado son de un costo elevado además del

costo de instalación, importación, mantenimiento y cuidado se busca diseñar un sistema lo más económico

posible con una interfaz de usuario sencilla que permita al usuario tener varias opciones de control, de tal

manera que se pueda familiarizar con alguna, de igual manera que el sistema permita una instalación

sencilla usando materiales económicos y un sistema robusto que no requiera de mantenimientos costosos

y regulares.

En las etapas de diseño al igual que en las etapas de prueba se vio que le era más familiar al agricultor

utilizar el sistema por control de tiempos ya sea de la forma manual o de la forma automática controlando

ciclos de tiempo. Ya que por referencia de humedad se requiere de tiempo para ir conociendo cual es la

humedad ideal que el agricultor debería introducir al sistema.

6.2 Ofertas del mercado actual (competidores)

Se realizaron cotizaciones de sistemas de riego en Colombia y en latino América buscando sistemas que

suplieran necesidades de cuidado de cultivos, de tal modo sobresalen los siguientes.

La primera empresa es colombiana Irrigaciones limitada Bogotá Colombia. Cuyo precio y

descripción se encuentra en la tabla 15

80


IRRIGACIONES LIMITADA

Controlador

Que permite hacer

riego cuatro veces al

día

No cuenta con sensores, el sistema no

registra medición de los niveles de humedad

a los que está sometido el cultivo.

Instalación de tubería o aspersores, es

necesario conectar un relevo y añadir las

respectivas conexiones hidroneumáticas.

Control, en sitio no cuenta con control remoto

El controlador: $400.000 + IVA Válvula C/U: $100.000 + IVA Sin contar costos de instalación, mantenimiento y envío. Costo aproximado: $800.000

Controlador por

nebulización,



a los que está sometido el cultivo.

Instalación de tubería o aspersores, es

necesario conectar un relevo y añadir las

respectivas conexiones hidroneumáticas.


El controlador:

$320.000 + IVA

Válvula C/U:

$100.000 + IVA

Sin contar costos de instalación,

mantenimiento y envío.

Costo aproximado: $750.000

Tabla 15. Cotización sistema de riego empresa Irrigaciones Limitada.

La Segunda empresa es Argentina micro aspersión aeronomía automático bomba, ventura. Cuyo

precio y descripción se encuentra en la tabla 16

KIT RIEGO MICROASPERSIÓN AEROPONIA AUTOMATICO BOMBA, VENTURI (Argentina)

Controlador

Sistema controlado

por tiempo



a los que está sometido el cultivo. No habría

mantenimiento por el fabricante ya que

quedaría en otro país


El sistema:

3900 pesos argentinos

aproximado a pesos

colombianos 1`100.000 sin

contar con el costo de envió

Tabla 16. Cotización sistema de riego empresa micro aspersión aeronomía

Automático bomba, ventura.

La Tercera empresa es Chilena Venturi programador interior “caddy” wifi, ventura. Cuyo precio y

descripción se encuentra en la tabla 17

81


VENTURI PROGRAMADOR INTERIOR “CADDY” WIFI (Chile)

Controlador

Sistema controlado de

forma remota

Control desde el celular, computador o tablet

de manera remota. Cuenta con diez u once

estaciones (o master) Se requiere conexión

inalámbrica Cuenta con tres programas

independientes (días de la semana,

intervalos de riego o días pares /impares).

Cinco partidas por programa. Tiempo de

riego, 1 min a 13 hr.

El sistema:

290.000pesos chilenos

Aproximado a pesos

colombianos 1`200.000 sin

contar con el costo de envió

Tabla 17. Cotización sistema de riego empresa venturi programador interior “caddy” wifi

WILCATEC

Control de riego por

tablero industrial

Programación por tiempos.

Mediciones de humedad y temperatura solo

si se compra módulo adicional.

Tablero:

$3.800.000 + IVA

Válvula C/U:

$400.000 + IVA

No se incluyen costos de

instalación, mantenimiento y

envío, son cargos adicionales.

Costo aproximado: $6’000.000

Tabla 18. Cotización sistema de riego empresa wilcatec

6.3 Factor diferenciador

Actualmente los sistemas de automatización en el mercado permiten el control de riego por medio de

control de tiempo o ciclos de aspersión, el primero permite definir la hora de riego en el cultivo, la segunda

define cuantas veces al día se va a realizar el riego. En su gran mayoría el control es en sitio y muy pocos

sistemas permiten un control remoto y los pocos que ofrecen este servicio mantienen un precio muy

elevado de compra, y así como son escasos los de control remoto son aún más escasos los sistemas que

permiten controlar el riego por sensores, siendo sistemas que no cuentan con el manejo de muchas

variables que determinan el crecimiento de un cultivo.

El factor diferenciador del producto por medio de la investigación y diseño de este proyecto, es el control y

visualización de la humedad del terreno, el control de fumigación por surcos todo esto de forma remota.

82


Teniendo en cuenta que los sistemas actuales que hacen control remoto solo realizan el siego de agua.

6.4 Evaluación Técnica

Los costos por elemento o dispositivo y totales del sistema se pueden ver en la tabla 19 a continuación.

NOMBRE CANTIDAD PRECIO UNIDAD TOTAL

Sensor Humedad suelo

SEN0114

4 $20.000 $80.000

Micro controlador

PIC16F877

2 $12.000 $24.000

Módulos Xbee 2 $80.000 $160.000

Tarjetas Xbee 2 $9.000 $18.000

Manguera 1 $10.000 $10.000

Válvulas solenoides 2 $110.000 $220.000

Tuberías adaptadores,

uniones codos etc.

1 $15.000 $15.000

Resistencias condensadores, diodos etc.

1 $15.000 $15.000

Transformador 1 $18.000 $18.000

Led`s 2 $300 $500

Motores 2 $15.000 $30.000

Riel armazón sistema fumigación

1 $70.000 $70.000

Sensor LM35 1 $3.500 $3.500

LCD 1 $12.000 $12.000

Caja Acrílico, acrílico

carro

1 $100.000 $100.000

Transistores 2N2222 12 $10.000 $10.000

Total: $ 790.000

Tabla 19. Evaluación técnica de costos

83


El sistema cuenta con una caja acrílica que protege al sistema contra la lluvia pero no sobra como medida

preventiva tener este sistema resguardado, el control del sistema en su mayoría lo efectúa el programa en

visual (programa de instalación “Riego automatizado”), este envía la información de control al micro

controlador para que se activen ya sea las válvulas o los motores o para envió de la información de

humedad.

El programa tiene una interfaz sencilla de manejo.

6.5 El cliente

Básicamente este sistema va dirigido a la mayor parte de agricultores del país en este caso a los

cultivadores del municipio de Nuevo Colon. El sistema de riego es altamente adaptable a varios cultivos ya

que en sus inicios se diseñó para un cultivo de fresa, pero el sistema de fumigación tiene sus limitaciones,

por lo que no es muy aplicable a cultivos de grandes extensiones, estaría más encaminado a cultivos en

invernaderos.

Este tipo de productos no es de consumo muy común y requiere de mantenimiento, aunque el sistema sea

robusto y no requiera de mantenimientos muy periódicos lo requiere al final de cuentas.

Las ventajas de adquirir un producto como estos es que el consumidor que se haga acreedor de este

permanece con él por muchos años.

El cliente tiene la posibilidad de controlar el sistema de la forma que lo desee, ya que puede ahorrar costos

y solo hacer control por tiempos o ciclos y así evitar el costo y cuidado de los sensores.

84


7 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

Al hacer el control de humedad del suelo del lugar, se evidencia que los suelos en el municipio de Nuevo

Colon tienden a ser húmedos así como también su clima, y se halla un mayor favoritismo del cliente por

utilizar el sistema por tiempos y no por registro de humedad.

En la instalación del sistema de goteo hubo dificultades con la presión con la que el agua llegaba al cultivo

por esto mismo se tomó la decisión de abastecer el cultivo de agua de un tanque y que el agua llegara al

cultivo por gravedad, de igual manera se ajustó la válvula para que redujera la presión.

El sistema de riego de fungicidas e insecticidas, funciono mejor de lo esperado, permitiendo un riego

controlado sobre las plantas y reduciendo el contacto del cultivador con los químicos

A pesar de la desventaja de cuatro a cinco días de germinación de la semilla de frijol en el surco

automatizado el sistema permitió que el cultivo de automatizado arrojara resultados satisfactorios.

A pesar de no verse grandes cambios comparativos entre los surcos de pruebas y tradicionales, en las

primeras semanas, después de la séptima semana se pudo diferenciar el rendimiento del sistema

comparado con el cuidado de cultivos tradicionales.

85


Trabajo futuro

Se lograría a futuro implementar la interfaz de usuario en dispositivos móviles mediante algún aplicativo que permita

la conexión con la caja de control, para que a su vez el usuario desde cualquier punto, pueda activar y hacer control

y cuidado de su cultivo a su gusto.

Actualizar o modificar el sistema de fumigación que lo haga mayormente aplicable a aéreas de mayor cobertura, el

sistema permite que la persona no solo lo instale sobre sistemas de riego por goteo sino que a su vez se pueden

instalar sistemas de aspersión. A futuro se puede lograr que el sistema tenga un mayor control en la presión del agua

y así lograr controlar el rango de aspersión al cultivo.

Posibilidad de controlar inalámbricamente los sensores, sin que esto afecte significativamente el precio del sistema,

para disminuir cableado que pueda estorbar sobre el cultivo y adicionalmente aumentar la cobertura de control sobre

el mismo.

A futuro se podría lograr que el sistema enviara registros fotográficos del cultivo para que el cliente

independientemente del lugar en el que este, tenga conocimiento de la evolución de su cosecha y sepa cuando

hacer labores de, fertilización, fumigación y recolección.

Adaptar el sistema de fumigación para permitir una mayor cobertura para tratar cultivos de invernadero.

También se podría desarrollar un sistema de fumigación o aspersión por medio de drones, los cuales permiten

trabajar sobre lugares de mayor cobertura.

86


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9 CRONOGRAMA

Id.

SISTEMA AUTOMATICO REMOTO PARA EL CUIDADO DE CULTIVOS

CEREALES

Comienzo Fin Duración

2014

oct nov dic ene feb mar abr

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

5,6s21/11/201415/10/2014Investigación de antecedentes de cultivos

automatizados y sistemas de control remoto

5,4s27/11/201422/10/2014Investigar las condiciones apropiadas para

el crecimiento y desarrollo del cultivo

1,2s05/12/201428/11/2014Búsqueda el sensor o transductor que se

adapte mejor a las condiciones del proyecto

,6s10/12/201408/12/2014Caracterización de los sensores según las

condiciones y necesidades del proyecto

,6s15/12/201411/12/2014Diseño del circuito de control capaz de

procesar los valores del sensor

,8s19/12/201416/12/2014Búsqueda e investigación de válvulas y

motores para el sistema de fumigación

,2s22/12/201422/12/2014diseño del circuito de fumigación

,6s25/12/201423/12/2014Diseño del circuito de control para el

movimiento de los motores

,5s30/12/201426/12/2014Identificar las características del modulo de

conexión inalámbrica

4,8s30/01/201530/12/2014Diseño circuito impreso para aplicación a

campo

,4s04/02/201503/02/2015preparación del terreno y siembra de las

plantas a tratar

,2s05/02/201505/02/2015 Sincronización del sensor, circuito digital,

modulo inalámbrico, receptor y solenoide

,4s09/02/201506/02/2015Instalación de mangueras, válvulas, goteros

y el circuito en el cultivo

1,8s20/02/201510/02/2015Instalación del circuito en el cultivo

1s27/02/201523/02/2015Instalación del montaje de fumigación en el

cultivo

12,4s28/04/201502/02/2015Seguimiento del prototipo instalado en el

cultivo

7,2s20/04/201502/03/2015Realización de conferencias informativas

18 7,6s08/04/201516/02/2015Redacción de artículos del proyecto

19

2015

10 PRESUPUESTO

TABLA DE PRESUPUESTO Tabla 2 Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de $).

RUBROS FUENTE PROPIA

PERSONAL $780.000

EQUIPOS $80.000

SOFTWARE $0

MATERIALES $750.000

SALIDAS DE CAMPO $50.000

MATERIAL BIBLIOGRÁFICO $0

PUBLICACIONES Y PATENTES $30.000

SERVICIOS TÉCNICOS $0

VVIIAAJJEESS $450.000

CONSTRUCCIONES $50.000

MANTENIMIENTO $50.000

TOTAL $2.240.000

Tabla 2.1 Descripción de los gastos de personal (en miles de $).

Nombre del

Investigador / Experto/

Auxiliar

Formación

Académica

Función dentro

en el proyecto

DEDICACIÓN

Horas/semana

RECURSOS

TOTAL Propios

Rafael Antonio Gamba Agricultor

(persona a tratar

el terreno de

siembra)

Asesor del

proyecto en

cuanto a

tratamiento,

fertilización y

cosecha de

cultivo. y

encargado del

seguimiento

diario de las

plantas

8h/semana $30.000*10 semanas $300.000

Nilson Gamba C Estudiante

ponente de

proyecto

Soporte

conceptual del

proyecto y

encargado del

seguimiento

48h/ semana $10.000 × 24 SEMANAS $480.000

93


semanal de las

plantas

Tabla 2.3 Descripción de los equipos que se planea adquirir (en miles de $).

EQUIPO JUSTIFICACIÓN RECURSOS

TOTAL Propios

OSCILOSCOPIO

Medición de

parámetros del

sensor, modulo y

circuito a diseñar

$0 $0

FUENTE DC Fuente de prueba

para los circuitos a

realizar

$0 $0

Se aclara que estos

implementos son

propiedad de la

universidad y se

tendrá acceso a ellos

sin ningún costo.

TOTAL $0 $0

Tabla 2.4 Descripción y cuantificación de los equipos de uso propio (en miles de $)

EQUIPO VALOR (CONTRAPARTIDA)

Computador para la simulación de los circuitos $0

Quemador de micro controlador $80.000

TOTAL $80.000

Tabla 2.5 Descripción del software que se planea adquirir (en miles de $).

SOFTWARE JUSTIFICACIÓN RECURSOS

TOTAL Propios

No se desea adquirir ningún tipo de

software ya que las aplicaciones que se

desean realizar son netamente físicas.

$0

94


Tabla 2.6 Descripción y justificación de los viajes (en miles de $)

Lugar Justificación** Pasajes ($)

Ida y vuelta

Estadía por día

($)

Total

días

Recursos

Total Propios

Nuevo Colon –

Boyacá

Se acordó con los

propietarios de una

finca de regadío

por goteo para

plantas frutales de

ciruela, el poder ver

y analizar el

método de riego y

su instalación

$10.000 ×2

propietario

investigador

$0 1 $20.000 $20.000

Nuevo Colon –

Boyacá

En este viaje se

inspeccionara el

crecimiento del

cultivo y se

aplicarán los

conocimientos

adquiridos para la

implementación del

sistema. (se

realizaran 4 viajes

por mes para

revisión semanal

del cultivo)

$40.000 × 1

investigadores

$10.000 4 $200.000 $200.000

Nuevo Colon –

Boyacá

Un meses después

de instalado el

sistema se visitara

nuevamente el

cultivo para obtener

los últimos

resultados y ver el

estado de la

cosecha.

$40.000 × 1

investigadores

$20.000 4 $230.000 $230.000

TOTAL $164.000 $40.000 7 $450.000 $450.000

95


Tabla 2.7 Valoración salidas de campo (en miles de $)

Ítem Costo unitario # Total

BIBLIOTECA $1.500 7 $10.500

COMPRA DE MATERIALES $1.500 4 $6.000

TOTAL $3.000 11 $16.500

Tabla 2.8 Materiales y suministros (en miles de $)

Materiales* Justificación Valor

MATERIALES ELECTRÓNICOS Materiales para la construcción del dispositivo

electrónico como válvula solenoide, modulo RF,

micro controlador, batería recargable y otros.

$55000.000

MATERIALES DE PVC Materiales como manguera, uniones y goteros

mallas y postas para realizar la implementación

dentro del cultivo.

$150.000

PAPELERIA Impresiones, fotocopias $50.000

TOTAL $750.000

Tabla 2.9 Servicios Técnicos (en miles de $)

Tipo de servicio Justificación Valor

REPARACION DE EQUIPOS No se requiere reparar ningún equipo $0

TOTAL $0

Tabla 2.10 Bibliografía (en miles de $)

Ítem Justificación Valor

----------------------------------------------------------- No se desea adquirir ningún tipo de texto $0

TOTAL $0

sistema automÁtico remoto para el cuidado de...

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