Universidad de Antioquia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería

Electrónica y Telecomunicaciones

Medellín, Colombia

2020

SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO PARA UNA

HUERTA ESCOLAR, BASADO EN UNA RED

INALÁMBRICA DE SENSORES

Autor(es)

Fabian Stiven Duque Duque

Laura Saldarriaga Higuita

SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO PARA UNA HUERTA ESCOLAR, BASADO

EN UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES

Fabian Stiven Duque Duque

Laura Saldarriaga Higuita

Informe de práctica social como requisito para optar al título de:

Ingenieros Electrónicos

Asesor

Gustavo Adolfo Patiño, PhD

Universidad de Antioquia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Electrónica y

Telecomunicaciones

Medellín, Colombia

2020.

Agradecimiento

Agradecemos a la Institución Educativa Antonio Derka y la comunidad de Santo

Domingo por abrirnos sus puertas y permitirnos desarrollar allí este proyecto.

A nuestro asesor Gustavo Patiño, por su dedicación, paciencia y compromiso para

guiarnos durante el proceso.

A la Unidad de Prácticas Académicas por facilitarnos los recursos económicos para la

realización de esta práctica y de manera muy especial a Sonia Morales, por su constante

apoyo durante nuestro proceso.

A la Vicerrectoría de Extensión, especialmente a Yurani Zapata, por su

acompañamiento constante y gestión en el Marco de Articulación de Prácticas.

A la Universidad de Antioquia por ser nuestro segundo hogar, por permitirnos

formarnos como profesionales integrales y por darnos la oportunidad de conocer

personas excepcionales.

Al profesor Orlando Carrillo por su disposición para poner su conocimiento y

experiencia al servicio de sus estudiantes y colegas.

A nuestras familias, que siempre nos han apoyado en este camino de formación.

Como futuros ingenieros, entendemos que nuestra labor en la sociedad no se limita

a la aplicación de conceptos y técnicas, sino que obedece también al entendimiento

de las problemáticas y necesidades que esta enfrenta y la oportunidad que se nos

presenta de poner a su servicio lo que nuestra Alma Máter nos ha dado.

Como estudiantes y futuros egresados de la Universidad de Antioquia, que ha sido

nuestro hogar y ha nutrido nuestras mentes y almas, estamos conscientes de

nuestro compromiso con las comunidades y de la importancia de reconocer el

contexto en el que vivimos y entender que la ingeniería puede, más que construir

puentes, cerrar brechas y unir personas alrededor de proyectos y causas.

Invitamos a nuestros compañeros, profesores y directivos a creer, como nosotros,

en el potencial de la educación para cambiar vidas, en las oportunidades y en el

trabajo conjunto para construir sociedad.

Resumen

El presente proyecto, en modalidad de práctica académica social, está compuesto por dos

partes principales: la creación de un semillero estudiantil en temas de electrónica y

programación y la implementación de un Sistema de Riego Automatizado para una huerta

escolar.

La práctica fue llevada a cabo en la Institución Educativa Antonio en el Marco de

Articulación de Prácticas Académicas entre la Universidad de Antioquia y la Comuna 1 de

la ciudad de Medellín, donde se busca, a través de las prácticas realizadas por estudiantes

de todas las áreas del conocimiento, aportar a problemáticas presentes en diferentes

entornos de este sector de la ciudad: el comunitario, el institucional, el familiar y el escolar.

El propósito del trabajo es mitigar el deterioro de una de las huertas de la institución en

épocas donde no están presentes los estudiantes que se encargan de su cuidado, ya que

muchos de los frutos cosechados allí tienen como finalidad ser aprovechados en el

restaurante escolar. Otra parte de los productos, es comercializada en eventos escolares,

donde los principales compradores son los padres de familia y docentes de la institución y

las ganancias recolectadas son invertidas de nuevo en el mantenimiento y resiembra de la

huerta.

El objetivo planteado consiste en acercar la electrónica y la programación a la comunidad

educativa de la institución, a través de la creación de un semillero estudiantil, soportado

por la implementación del sistema de riego automatizado, utilizando para ello una

plataforma IoT centralizada en una Raspberry Pi y encargada de medir las variables

humedad de suelo, humedad relativa y temperatura a través de una red de sensores. A

partir de la información recopilada, se automatiza la ejecución del riego mediante el

control de la humedad de suelo y el nivel de agua en el tanque de suministro, permitiendo

la activación oportuna de las electroválvulas. Mientras que el sistema se encuentra en

funcionamiento, los datos son exportados de forma que la huerta pueda ser monitoreada

local y remotamente.

Con miras al cumplimiento de los objetivos y para alcanzar los resultados esperados, para

el desarrollo del sistema de riego, se planteó una metodología por tareas basadas en los

objetivos específicos, donde algunas fueron repartidas entre ambos estudiantes y otras

fueron realizadas conjuntamente. Todo esto teniendo en cuenta la relevancia de cada una

de las tareas con relación al avance general del proyecto. Por otro lado, el semillero

estudiantil fue dividido en varias sesiones efectuadas en la institución educativa con los

estudiantes del grado décimo y once. Las herramientas de trabajo empleadas fueron:

presentaciones con información relevante de cada tema abordado, computadores con el

software requerido previamente instalado y kits de electrónica y sensores, de forma que

los estudiantes tuvieran una formación integral, con componente teórico y práctico.

Tabla de Contenido

Objetivo general ...................................................................................................... 10

Objetivos específicos ................................................................................................ 10

Introducción ............................................................................................................. 11

Marco teórico .......................................................................................................... 12

4.1. Huertas ....................................................................................................................... 12

4.1.1. Huerta escolar Institución Educativa Antonio Derka .................................................................. 14

4.2. Descripción del problema ............................................................................................ 16

4.3. Trabajo y contribución social........................................................................................ 18

4.3.1. Semillero de formación para la comunidad educativa ............................................................... 18

4.3.1.1. Sistema modular de sensores para la medición de variables ambientales ............................ 19

Microcontrolador para la tarjeta de sensores ................................................................. 19

Componentes de sensado para la tarjeta de sensores .................................................... 22

Diseño de la tarjeta de sensores ...................................................................................... 30

4.4. Sistema de riego automatizado para huerta escolar ...................................................... 31

4.4.1. Sistema de riego automatizado para la huerta de la institución Antonio Derka ........................ 32

4.4.2. Comunicación y control .............................................................................................................. 34

4.4.2.1. Red inalámbrica de sensores .................................................................................................. 34

4.4.2.2. Control y plataforma IoT ........................................................................................................ 36

Controladores y técnicas de control ................................................................................ 36

Tipos de sistemas de control ................................................................................... 36

Tipos de controladores ............................................................................................ 38

Técnicas de control para sistemas de riego [37] ..................................................... 41

Plataforma IoT con servidor Mosquitto y Node-RED en Raspberry Pi 3B+ ...................... 43

4.4.3. Componentes de sensado........................................................................................................... 45

4.4.4. Elementos actuadores ................................................................................................................ 47

4.4.5. Subsistema de exportación y análisis de datos ........................................................................... 48

4.4.6. Subsistema de visualización ........................................................................................................ 49

Metodología ............................................................................................................ 51

5.1. Semillero de formación tecnológica ............................................................................. 51

5.1.1. Sistema modular de sensores para medición de variables ambientales .................................... 51

5.1.2. Currículo de clases ...................................................................................................................... 52

5.2. Sistema de riego automatizado para huerta escolar ...................................................... 54

5.2.1. Comunicación y control .............................................................................................................. 56

5.2.1.1. Red inalámbrica de sensores .................................................................................................. 57

Tipos de nodos de la red inalámbrica .............................................................................. 57

Incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ............................................................................ 59

5.2.1.2. Control y plataforma IoT ........................................................................................................ 59

Plataforma IoT con servidor Mosquitto y Node-RED en Raspberry Pi 3B+ ...................... 61

5.2.2. Componentes de sensado: sensores y acondicionamiento de señales ...................................... 67

5.2.2.1. Captura de datos de los sensores ........................................................................................... 68

5.2.3. Subsistema de exportación y análisis de datos ........................................................................... 71

5.2.4. Subsistema de visualización ........................................................................................................ 73

Resultados ............................................................................................................... 75

6.1. Acercamiento a la comunidad educativa ...................................................................... 75

6.2. Medición de variables y acciones de riego .................................................................... 79

6.3. Automatización de suministro de agua para el llenado de tanque y control de nivel ...... 82

6.4. Plataforma IoT para monitoreo y recolección de datos ................................................. 84

6.5. Visualización de información........................................................................................ 85

6.6. Semillero estudiantil .................................................................................................... 86

Conclusiones ............................................................................................................ 87

Anexos ..................................................................................................................... 90

Anexo 1: Diseño de la tarjeta para el sistema modular de sensores en el software EAGLE................ 90

Anexo 2: Incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................. 94

Anexo 3: Instalación del servidor Mosquitto y Node-RED en la Raspberry Pi ..................................... 97

Anexo 4: Incluir nueva librería en el Arduino IDE ................................................................................ 99

Anexo 5: Diseño de la tarjeta para los nodos del sistema en el software EAGLE .............................. 101

Anexo 6: Formulario de valoración del semillero por parte de los estudiantes ................................ 103

Bibliografía ............................................................................................................. 104

Tabla de Figuras

Figura 1 Distribución y dimensiones de la huerta escolar ..................................................................................... 15

Figura 2 Huerta I.E Antonio Derka ........................................................................................................................ 15

Figura 3 Sección de la huerta con forma de pétalo durante periodo de receso .................................................... 17

Figura 4 Estado de la huerta durante periodo de actividad escolar ..................................................................... 17

Figura 5 Distribución de pines de la tarjeta de sensores ....................................................................................... 19

Figura 6 Diagrama de pines Arduino Nano ........................................................................................................... 21

Figura 7 Interfaz Arduino IDE ................................................................................................................................ 22

Figura 8 Sensores para el sistema modular .......................................................................................................... 22

Figura 9 Estructura de trama enviada por el sensor DHT11 ................................................................................. 24

Figura 10 Distribución de pines e imagen del sensor DHT11 ................................................................................ 24

Figura 11 Distribución de pines e imagen del sensor Grove .................................................................................. 25

Figura 12 Distribución de pines e imagen del sensor de lluvia .............................................................................. 26

Figura 13 Distribución de pines e imagen del módulo de fotorresistencia (o LDR) ............................................... 26

Figura 14 Distribución de pines e imagen del módulo con micrófono .................................................................. 26

Figura 15 Distribución de pines e imagen del sensor de flama ............................................................................. 27

Figura 16 Relación voltaje - concentración del gas .............................................................................................. 28

Figura 17 Características de sensibilidad típicas del MQ-2 para diferentes gases a 20°C, 65% de humedad, RL=5K

.............................................................................................................................................................................. 28

Figura 18 Distribución de pines e imagen del sensor de gas ................................................................................. 29

Figura 19 Diagrama de pines del sensor ultrasónico HC-SR04 .............................................................................. 29

Figura 20 Diagrama de conexiones relé 5V ........................................................................................................... 30

Figura 21 Modos de trabajo de EAGLE (esquemático y board) Componentes de sensado: variables a medir y

sensores a utilizar [28] .......................................................................................................................................... 31

Figura 22 Arquitectura sistema de riego Usme ..................................................................................................... 32

Figura 23. Arquitectura sistema de riego colegio UPB .......................................................................................... 32

Figura 24 Arquitectura general del sistema de riego ............................................................................................ 33

Figura 25. Subsistemas del Sistema de Riego Automatizado (SRA) ...................................................................... 33

Figura 26 Diagrama de pines y características del NodeMCU ESP8266 [33] ........................................................ 36

Figura 27 Lazo de control abierto ......................................................................................................................... 37

Figura 28 Lazo de control cerrado ......................................................................................................................... 37

Figura 29 Lazo de control para el sistema de riego ............................................................................................... 37

Figura 30 Esquema del modelo del tanque ........................................................................................................... 39

Figura 31 Respuesta temporal del nivel en sistema con controlador on/off ........................................................ 41

Figura 32 Características e imagen de la Raspberry Pi 3B+ .................................................................................. 43

Figura 33 Esquema de funcionamiento general del protocolo MQTT ................................................................... 44

Figura 34 Flujo de comunicación entre clientes MQTT ......................................................................................... 45

Figura 35 Distribución de pines e imagen del sensor DHT22 [44] ......................................................................... 45

Figura 36 Distribución de pines e imagen del sensor de humedad de suelo con sonda [45] ................................ 46

Figura 37 Características e imagen del sensor de ultrasonido DYP-ME007-YS ..................................................... 46

Figura 38 Esquema de las partes una electroválvula [46]..................................................................................... 47

Figura 39 Esquema de ubicación de válvulas ........................................................................................................ 48

Figura 40 Arquitectura básica de un sistema basado en IoT con ThingSpeak ...................................................... 49

Figura 41 Vista de interfaz en pantalla táctil ........................................................................................................ 49

Figura 42 Página principal del sitio web ............................................................................................................... 50

Figura 43 Partes de la tarjeta de sensores ............................................................................................................ 51

Figura 44. Arquitectura de Hardware del Sistema de Riego Automatizado.......................................................... 55

Figura 45. Arquitectura de software del Sistema de Riego Automatizado ........................................................... 56

Figura 46 Diagrama del circuito de potencia ........................................................................................................ 57

Figura 47 Nodo tanque-nivel ................................................................................................................................. 58

Figura 48 Nodo actuadores ................................................................................................................................... 58

Figura 49 Componentes de sensado en nodo huerta ............................................................................................ 59

Figura 50 Diagrama de flujo de sensado y actuación referente a las variables controladas ................................ 60

Figura 51. Medición de nivel de agua en tanque de suministro ............................................................................ 61

Figura 52 Configuración interna de componentes de Node-RED .......................................................................... 62

Figura 53 Componentes correspondientes a algunas de las variables dentro del control de flujo del Node-RED 63

Figura 54 Programación NodeMCU ...................................................................................................................... 63

Figura 55 Fragmentos de código en el NodeMCU ESP8266 .................................................................................. 64

Figura 56 Partes de la tarjeta de nodos de la red ................................................................................................. 65

Figura 57 Arquitectura de la red de comunicación ............................................................................................... 66

Figura 58 Router Wi-Fi .......................................................................................................................................... 67

Figura 59 Módulo de acondicionamiento con LM393 ........................................................................................... 68

Figura 60 Diagrama de flujo de captura de datos para el sensor de humedad de suelo ...................................... 69

Figura 61. Fragmento de código de lectura del sensor de humedad de suelo ...................................................... 69

Figura 62 Diagrama de flujo de captura de datos para el sensor de temperatura y humedad relativa ............... 69

Figura 63 Fragmento de código de lectura del sensor de humedad relativa y temperatura ................................ 70

Figura 64. Diagrama de flujo de captura de datos para el sensor de ultrasonido ................................................ 70

Figura 65. Fragmento de código de lectura de trama de datos del sensor de ultrasonido ................................... 71

Figura 66 Información general del canal creado ................................................................................................... 71

Figura 67 Configuraciones del canal ..................................................................................................................... 72

Figura 68 Llaves de acceso de escritura y lectura para el canal ............................................................................ 72

Figura 69 Configuración bloque thingspeaak42 ................................................................................................... 73

Figura 70 Configuración despliegue visual Node-RED ........................................................................................... 74

Figura 71 Pantalla de visualización de datos en Node-RED .................................................................................. 74

Figura 72 Estructura de página web ..................................................................................................................... 75

Figura 73 Barra de navegación del sitio web ........................................................................................................ 75

Figura 74. Fotografías de los estudiantes de la media técnica de recursos naturales en el proceso de adecuación

de la huerta ........................................................................................................................................................... 76

Figura 75. Conocimientos adquiridos durante el semillero de electrónica............................................................ 76

Figura 76. Habilidades y dedicación de los profesores .......................................................................................... 77

Figura 77. Evaluación del contenido del curso ...................................................................................................... 77

Figura 78. Nodo huerta en pétalo de la huerta ..................................................................................................... 79

Figura 79. Distribución del nodo en el empaque ................................................................................................... 80

Figura 80. Plomería para distribución de agua para el riego ................................................................................ 81

Figura 81. Relación entre la humedad de suelo y la válvula de riego ................................................................... 81

Figura 82.Componentes de plomería, control y medición en sección de tanque de suministro ........................... 82

Figura 83. Vista superior del tanque con plomería y flotador ............................................................................... 83

Figura 84. Vista superior de tanque con tubos de desagüe y recolección de aguas lluvia .................................... 83

Figura 85. Relación entre el nivel de agua en el tanque y la apertura de la válvula de llenado ........................... 83

Figura 86. Datos mostrados en ThingSpeak .......................................................................................................... 84

Figura 87. Mediciones del nivel de tanque exportados a ThingSpeak .................................................................. 84

Figura 88. Visualización con pantalla LCD............................................................................................................. 85

Figura 89. Inicio página web ................................................................................................................................. 85

Figura 90. Visualización en dispositivo móvil ........................................................................................................ 86

Figura 91. Tarjeta y kit de sensores para el semillero estudiantil ......................................................................... 86

Figura 92. Fotografías de trabajo de clase durante las sesiones del semillero ..................................................... 87

Figura 93 Agregar componentes en modo esquemático ...................................................................................... 90

Figura 94 Unir componentes en modo esquemático............................................................................................. 90

Figura 95 Proceso de importación de librería Eagle .............................................................................................. 91

Figura 96 Ubicar los componentes en modo board .............................................................................................. 91

Figura 97 Traza de caminos entre nodos de la tarjeta .......................................................................................... 92

Figura 98 Herramientas polígono y ratsnest ......................................................................................................... 92

Figura 99 Polígono y ratsnet (de izq. a der.) ......................................................................................................... 93

Figura 100 Tarjeta final ......................................................................................................................................... 93

Figura 101 Paso 1: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 94

Figura 102 Paso 2: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 94

Figura 103 Paso 3: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 95

Figura 104 Paso 4: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 95

Figura 105 Paso 5: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 95

Figura 106 Paso 6: incluir nueva tarjeta en el Arduino IDE ................................................................................... 96

Figura 107 Terminal de Linux y comando de instalación del servidor ................................................................... 97

Figura 108 Habilitar servicio de ejecución del servidor ......................................................................................... 97

Figura 109 Verificación de ejecución y número de puerto .................................................................................... 97

Figura 110 Terminal y comando de habilitación de Node-RED ............................................................................. 97

Figura 111 Habitar ejecución de Node-RED .......................................................................................................... 98

Figura 112 Paso 1: incluir nueva librería en el Arduino IDE................................................................................... 99

Figura 113 Paso 2: incluir nueva librería en el Arduino IDE................................................................................... 99

Figura 114 Paso 3: incluir nueva librería en el Arduino IDE................................................................................. 100

Figura 115 Paso 4: incluir nueva librería en el Arduino IDE................................................................................. 100

Figura 116 Paso 1: incluir nueva librería en el Arduino IDE................................................................................. 100

Figura 117 Agregar componentes en modo esquemático ................................................................................. 101

Figura 118 Traza de caminos entre nodos de la tarjeta ...................................................................................... 101

Figura 119 Diseño con polígono y ratsnet ........................................................................................................... 102

Figura 120 Tarjeta final ....................................................................................................................................... 102

Índice de Tablas

Tabla 1 Comparativa de modelos de placas Arduino ............................................................................................ 20

Tabla 2 Sensores de Temperatura y Humedad Relativa........................................................................................ 23

Tabla 3 Sensores de Humedad de Suelo ................................................................................................................ 24

Tabla 4 Estándares de comunicación .................................................................................................................... 35

Tabla 5. Estructura de trama de datos del sensor ultrasónico .............................................................................. 47

Tabla 6 Tipos de nodos .......................................................................................................................................... 66

Tabla 7. Comparativa de temperatura entre los pétalos 1 y 2 .............................................................................. 80

Tabla 8. Comparativa de humedad relativa entre los pétalos 1 y 2 ...................................................................... 80

Objetivo general

Capacitar a la comunidad de la institución educativa Antonio Derka de la Comuna 1 de

Medellín, mediante la creación de un semillero estudiantil enfocado a la electrónica y

la sensórica, soportado fundamentalmente en un sistema de riego automatizado que

será desarrollado para una huerta escolar de dicho instituto, basado en una plataforma

IoT con reporte permanente de múltiples variables controladas.

Objetivos específicos

• Acercar a la comunidad educativa de la institución Antonio Derka, y demás

habitantes de la Comuna 1, a la implementación de soluciones basadas en la

electrónica y la ingeniería, con miras al mejoramiento de las huertas escolares

existentes en dicho instituto.

• Medir las variables humedad del suelo, humedad del ambiente y temperatura,

de modo que posteriormente el sistema de control, dirigido por una tarjeta

Raspberry Pi 3 [1], pueda activar apropiadamente las electroválvulas y

actuadores requeridos para un riego adecuado de la huerta, según el tipo de

productos sembrados en la huerta.

• Automatizar la fuente de suministro de agua para el riego dada la medida del

nivel de aguas lluvias recolectadas en el tanque, de modo que la huerta sea

regada con el agua lluvia recolectada, o si es necesario, mediante el agua

proveniente del acueducto municipal, en caso de que el nivel de dicho tanque

no sea suficiente.

• Desarrollar una plataforma IoT basada en una Red Inalámbrica de Sensores

conectada a la Nube de Internet para recopilar, analizar y monitorear los datos

entregados por el sistema de riego.

• Visualizar la información de la medición de las variables involucradas en el

sistema de riego, ya sea de forma local mediante una pantalla LCD [2] y de forma

remota a través de una página web.

• Crear e implementar un semillero escolar estudiantil, que permita la

transferencia de conocimiento y la sostenibilidad del sistema de riego a través

de la comunidad educativa del colegio Antonio Derka.

Introducción

El presente informe se refiere a los procesos de investigación, diseño e implementación llevados a cabo para la realización del proyecto de práctica académica en modalidad social, compuesto por dos partes principales: la creación de un semillero estudiantil en temas de electrónica y programación y la implementación de un Sistema de Riego Automatizado para una huerta escolar. Este proyecto fue llevado a cabo en el Marco de Articulación de Prácticas Académicas entre la Universidad de Antioquia y la Comuna 1 de la ciudad de Medellín, donde se busca, a través de las prácticas realizadas por estudiantes de todas las áreas del conocimiento, aportar a problemáticas presentes en diferentes entornos de este sector de la ciudad: el comunitario, el institucional, el familiar y el escolar. En este último entorno, específicamente en la Institución Educativa Antonio Derka es donde se desarrolló la práctica académica. El propósito del trabajo realizado es mitigar el deterioro de una de las huertas de la institución en épocas donde no están presentes los estudiantes que se encargan de su cuidado, ya que muchos de los frutos cosechados allí tienen como finalidad ser aprovechados en el restaurante escolar. Otra parte de los productos, es comercializada en eventos escolares, donde los principales compradores son los padres de familia y docentes de la institución y las ganancias recolectadas son invertidas de nuevo en el mantenimiento y resiembra de la huerta. El objetivo planteado consiste en acercar la electrónica y la programación a la comunidad educativa de la institución, a través de la creación de un semillero estudiantil, soportado por la implementación del sistema de riego automatizado, utilizando para ello una plataforma IoT centralizada en una Raspberry Pi y encargada de medir las variables humedad de suelo, humedad relativa y temperatura a través de una red de sensores. A partir de la información recopilada, se automatiza la ejecución del riego mediante el control de la humedad de suelo y el nivel de agua en el tanque de suministro, permitiendo la activación oportuna de las electroválvulas. Mientras que el sistema se encuentra en funcionamiento, los datos son exportados de forma que la huerta pueda ser monitoreada local y remotamente. Con miras al cumplimiento de los objetivos y para alcanzar los resultados esperados, para el desarrollo del sistema de riego, se planteó una metodología por tareas basadas en los objetivos específicos, donde algunas fueron repartidas entre ambos estudiantes y otras fueron realizadas conjuntamente. Todo esto teniendo en cuenta la relevancia de cada una de las tareas con relación al avance general del proyecto. Por otro lado, el semillero estudiantil fue dividido en varias sesiones efectuadas en la institución educativa con los estudiantes del grado décimo y once. Las herramientas de trabajo empleadas fueron: presentaciones con información relevante de cada tema abordado, computadores con el software requerido previamente instalado y kits de electrónica y sensores, de forma que los estudiantes tuvieran una formación integral, con componente teórico y práctico.

Este informe tiene una estructura jerárquica, es decir, las secciones del Marco Teórico y la Metodología, correspondientes a la parte conceptual y de implementación respectivamente, están ordenadas de forma que los subsistemas o subítems que requirieron más labores de investigación, diseño y análisis y que además son los cimientos del sistema, son expuestos primero y a su alrededor fueron construidos los demás componentes, que no dejan de tener una gran importancia, ya que en conjunto permiten que el sistema se integre y funcione adecuadamente. Además de esta distribución, las secciones mencionadas se dividen a su vez en dos partes, que son las social, referente al Semillero Estudiantil y la del Sistema de Riego Automatizado. Después de estas secciones se describen los resultados alcanzados, las conclusiones sobre el proyecto, los anexos y, por último, la bibliografía consultada.

Marco teórico

4.1. Huertas

Una huerta es un terreno delimitado donde se cultivan frutas, verduras y plantas,

sean ornamentales, aromáticas o medicinales. Se pueden cultivar directamente en

el suelo, macetas o en mesas de cultivo1.

El crecimiento de las plantas en una huerta puede estar influenciado por muchas

variables que dependen de las condiciones a las que está expuesta. Algunas de las

variables más determinantes son:

• Presión atmosférica: es el peso que genera la masa de aire que actúa sobre

la tierra, el valor de la presión estará determinado en función de la altitud

teniendo en cuenta el punto de referencia más bajo, siendo este a nivel del mar.

[3]

• Temperatura: es la magnitud física que indica la energía interna de un cuerpo

o una sustancia (líquida o gaseosa), esta energía es expresada en términos de

calor (temperatura alta) y frío (temperatura baja). [4]

• Humedad de suelo: “cantidad de agua por volumen de tierra que hay en un

terreno” [5].

• Humedad relativa: razón entre la humedad absoluta actual con la humedad

absoluta posible. (La humedad absoluta es la masa del vapor de agua dividida

entre la masa de aire seco en un volumen de aire a una temperatura dada). Una

lectura del 100% de la humedad relativa (HR) significa que el aire está

1 Mesas elevadas donde se cultivan vegetales. Su altura facilita las tareas de mantenimiento y se adaptan a espacios pequeños.

totalmente saturado de vapor de agua y no puede contener más, creando la

posibilidad de que llueva. [6]

• Precipitación: “es la caída de agua desde la atmósfera hacia la superficie

terrestre. La precipitación forma parte del ciclo del agua que mantiene el

equilibrio y sustento de todos los ecosistemas.” [7]

• pH: es una unidad de medida de alcalinidad o acidez de una solución. Controla

muchos procesos químicos, afectando principalmente la disponibilidad de los

nutrientes de las plantas [8].

En la actualidad, existen muchos tipos de huertas y diferentes criterios de

clasificación, pero uno de los más relevantes es el del objetivo o uso de la siembra,

donde destacan las tipologías: familiar, urbana y escolar.

Una huerta familiar es aquella formada en terrenos reducidos, por lo general

cercanos a los hogares que habita la familia que la trabaja. La principal

característica de este tipo de huerta es la participación activa de todos los miembros

de un grupo familiar, lo que además de fortalecer los lazos entre ellos, fomenta

hábitos de alimentación saludable, cultura de ahorro, trabajo en equipo y evita el

consumo de alimentos procesados ya que los productos consumidos son

orgánicos2.

Dentro de las huertas familiares se cultivan todo tipo de plantas, dándole especial

importancia a las aromáticas y a las medicinales, utilizadas para prevenir y aliviar

enfermedades y malestares.

“Las huertas urbanas son espacios de cultivo que se realizan en lugares dentro

de la ciudad”. El tamaño del terreno no es un limitante para implementar una de

estas huertas; pueden abarcar cientos de metros cuadrados, como es el caso de la

red de huertas desarrollada por la Universidad Politécnica de Madrid, en la cual se

invirtieron casi 2 millones de euros [9] o ser construidas en zonas privadas como

terrazas, jardines y balcones.

En los últimos años, el auge de las huertas urbanas ha ido en aumento debido a

varios factores: uno ha sido la migración de la población campesina a las ciudades

y su deseo de mantener parte de sus formas de vida, donde la tierra que ellos

trabajan da frutos que ayudan a su subsistencia. Otro factor importante ha sido el

despertar de las personas frente al dañino consumo de alimentos procesados, lo

que ha conducido a que quieran cultivar algunos de los alimentos de consumo

diario, entre ellos algunos vegetales, tubérculos y plantas aromáticas.

2 Alimentos a los que no se le han añadido productos químicos.

En los últimos años, las huertas han sido vistas como espacios de gran potencial

educativo para los niños y jóvenes, laboratorios donde pueden aprender sobre

botánica, agricultura, alimentación saludable y biología. Además, facilitan la

interacción con la naturaleza y las demás personas, ayudando a desarrollar

habilidades comunicativas y de relacionamiento con su entorno. Así es como las

huertas escolares han logrado ser reconocidas como herramientas de formación

dentro de las instituciones educativas.

Un ejemplo de esto son las huertas encontradas en el colegio de la Universidad

Pontificia Bolivariana (UPB), en la Universidad de Medellín (UdeM) y en la

Universidad de Antioquia (UdeA), las cuales fueron visitadas con el objetivo de

conocer las estrategias empleadas en los diversos sistemas de cultivo, así como el

impacto educativo que estos espacios pueden tener. En el primer caso mencionado,

cuentan con un sistema modular de huertas, donde lo estudiantes de cada uno de

los grados de la institución, mediante visitas regulares, pueden trabajar y aprender

sobre variadas temáticas, de manera tal que se integran diferentes áreas del

conocimiento mediante proyectos realizados por estudiantes de los grados décimo

y once de secundaria.

Por otro lado, en la UdeM se está desarrollando una estrategia para generar

espacios de mercados agroalimentarios con los productos cosechados en la

institución y de este modo, mediante las ganancias generadas, sostener la huerta y

hacer una restauración forestal sembrando especies de árboles nativas en los

predios de bosque pertenecientes a la universidad.

De manera semejante, en la UdeA se cuenta con una huerta cuyo principal objetivo

es servir de material de estudio para los estudiantes del curso Recursos Naturales

de Colombia, de la Facultad de Ingeniería, donde se busca generar conciencia sobre

el aprovechamiento de la tierra, la alimentación, hábitos de vida saludables y el

cuidado del medio ambiente.

Otras huertas visitadas fueron las de la Institución Educativa Antonio Derka Santo

Domingo, cuyo proceso de siembra, mantenimiento y cosecha son gestionados por

estudiantes en proceso de media técnica, y utilizadas en cursos de manejo de

alimentos.

4.1.1. Huerta escolar Institución Educativa Antonio Derka

La institución educativa está dividida en varias sedes y en todas hay diferentes

huertas, de las cuales, se seleccionó una ubicada en la sede de bachillerato

Antonio Derka Santo Domingo, para ser intervenida con el montaje del

sistema de riego. El terreno se encuentra a una altitud aproximada de 1900m

s.n.m.3. Las dimensiones son de 5.5m x 5m y está subdividida en 4 secciones

destinadas a la siembra de diferentes productos vegetales, como se muestra

en la Figura 1.

Figura 1 Distribución y dimensiones de la huerta escolar

Figura 2 Huerta I.E Antonio Derka

Analizando la forma en la que está distribuida la huerta, el ambiente

circundante y el tipo de productos que usualmente son sembrados allí, de las

variables que se describieron anteriormente se consideraron las variables:

temperatura, humedad relativa, humedad de suelo y nivel, siendo las tres

3 Metros sobre el nivel del mar

primeras objeto de medición y la última deberá ser controlada para ejecutar

la acción de riego de manera adecuada.

4.2. Descripción del problema

La Institución Educativa Antonio Derka Santo Domingo tiene en sus instalaciones

un conjunto de huertas, donde son sembrados principalmente: vegetales, plantas

aromáticas y algunas especies de flora.

Estas huertas son espacios donde los estudiantes pueden encontrar lugares

educativos alternativos a las aulas de clase, convirtiéndose en laboratorios donde

pueden adquirir conocimientos sobre diferentes clases de plantas, su cuidado e

importancia para el consumo humano y permiten que se involucren en proyectos

productivos, construyendo cimientos para la soberanía alimentaria [10] dentro de

la institución educativa, ya que muchos de estos productos son usados en el

restaurante escolar. También, cuando hay actividades y eventos donde los padres

de familia y otros miembros de la comunidad asisten a la institución, se realiza un

pequeño mercado, donde algunos de los productos cosechados son

comercializados y las ganancias de las ventas se utilizan para el sostenimiento de

la huerta.

Ya que las iniciativas mencionadas previamente son ejecutadas en su mayoría por

estudiantes de la institución, las huertas no son cuidadas y regadas durante los

periodos de receso, causando un deterioro de las plantas sembradas y del terreno

debido a la falta de mantenimiento y la cosecha tardía de los productos, quedando

únicamente a merced de las condiciones ambientales a las que estén sometidos en

la temporada de vacaciones, ya que se encuentran expuestos a la intemperie. Esta

situación conduce al desaprovechamiento de las huertas como espacios formativos

y productivos.

Se propuso, entonces, solucionar esta problemática con la implementación de un

sistema de riego automatizado con tecnologías IoT4 [11] en una de sus huertas (ver

Figura 2), con miras a que, si este entrega resultados positivos, se consideren

futuras réplicas en las demás huertas. También, con el propósito de que este

sistema tenga permanencia en el tiempo, se creó un semillero para estudiantes de

la institución, orientado hacia la sostenibilidad a través de temas relacionados con

la electrónica y la ingeniería, motivándolos a plantear soluciones para el

mejoramiento de las huertas de la institución.

4 Interconexión digital de dispositivos y sensores que recolectan información, interaccionan con el entorno y se comunican entre ellos a través de una red.

La Figura 3 muestra una sección de la huerta después de un periodo de receso

escolar, donde se nota el deterioro y la ausencia de plantas sembradas, mientras

que la Figura 4 muestra el estado de la huerta en periodos de actividad escolar. Es

así como se desea esté la huerta todo el año, incluso cuando los estudiantes

encargados no estén presentes en la institución.

Figura 3 Sección de la huerta con forma de pétalo durante periodo de receso

Figura 4 Estado de la huerta durante periodo de actividad escolar

4.3. Trabajo y contribución social

Desde su origen, la ingeniería fue concebida por y para la comunidad, con el fin de

innovar con soluciones y diseñar herramientas y artefactos que puedan ser usados

para solventar necesidades y mejorar la calidad de vida de las poblaciones y el

entorno social en el que estas se desenvuelven.

“El objeto del trabajo social comunitario es la comunidad misma, la colectividad en

su conjunto” [12], así que a pesar de las ventajas que pueden ofrecer los dispositivos

y mecanismos desarrollados, no es suficiente si no se cuenta con la participación

de los actores que se encuentran en el territorio donde se realiza la intervención.

Teniendo en mente la importancia de la participación comunitaria para adelantar

las iniciativas planteadas, se propuso la creación de un semillero conformado por

estudiantes de la Institución Educativa Antonio Derka, usando la tecnología como

herramienta, recurso y elemento estimulador para cambiar la percepción de los

hábitos de vida saludable, soberanía alimentaria y cuidado del medio ambiente. A

su vez, esta iniciativa aportó los conocimientos básicos suficientes para que los

estudiantes lograran crear un pequeño sistema electrónico para accionado por un

Set Point5 prestablecido, con el cual también pueden hacer el análisis de las

diferentes variables que afectan el crecimiento de las plantas y cómo influyen la

preparación del suelo, el riego, la exposición al sol y la siembra, factores que pueden

mejorar de forma significativa la cosecha.

4.3.1. Semillero de formación para la comunidad educativa

Un semillero, en el ámbito educativo e investigativo, es una iniciativa

empleada para impulsar programas de formación, ya sea que la información

y el conocimiento adquirido sean comprendidos con ayuda de un tutor o a

partir del aprendizaje conjunto de sus integrantes. El término “semillero” [13]

se usa ya que el objetivo es sembrar proyectos para forjar un futuro.

Se creó un semillero como estrategia pedagógica y académica que permitió la

participación activa y constructiva de cada uno de sus integrantes, dando la

posibilidad de que surgieran nuevas ideas creativas e innovadoras e

incentivándolos a explorar tecnologías para desenvolverse en áreas de su

interés, utilizando como herramientas la electrónica y la programación.

Como insumo de aprendizaje, se diseñó e implementó un sistema modular de

sensores, que se abordará a continuación.

5 Valor deseado de una variable en un proceso. Ej: temperatura, nivel, humedad, etc.

4.3.1.1. Sistema modular de sensores para la medición de variables ambientales

Se diseñó y construyó una tarjeta de desarrollo con sensores de montaje

simple y cuya unidad de control es una placa de la familia Arduino [14]. Esta

tarjeta fue el material de estudio para el semillero, donde en cada sesión se

trataron conceptos relacionados con la electrónica y la programación

orientada a la robótica y la automatización.

La placa tiene diferentes conectores, asociados a puertos de entrada/salida y

suministro de energía de un microcontrolador, con el fin de facilitar la

conexión de diferentes sensores y actuadores. El esquema de la Figura 5

muestra la distribución de la tarjeta desarrollada.

Figura 5 Distribución de pines de la tarjeta de sensores

El sistema modular consta de un microcontrolador y un set de sensores

empleados para hacer mediciones de diferentes variables, especialmente de

tipo ambiental.

Microcontrolador para la tarjeta de sensores

Al hacer la comparación entre diferentes familias de microcontroladores y

teniendo en cuenta factores como la facilidad de uso, bibliografía, entorno de

desarrollo, futuros trabajos de modificación, mejora y/o réplica por parte de

los estudiantes de la institución, costo y compatibilidad con sensores y otros

dispositivos, se optó por elegir una placa de la familia Arduino para que

cumpla la función de ser el “cerebro” de la tarjeta de sensores.

• Arduino

“Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto,

la cual está basada en hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar

para los creadores y desarrolladores.” [15]

Esta plataforma surgió en el 2003, con el fin de favorecer el aprendizaje y

el acceso a la electrónica y la programación, y actualmente permite crear

muchos tipos de proyectos usando diferentes tarjetas.

En la Tabla 1 se comparan las características más relevantes de cuatro

referencias de tarjetas Arduino.

Tabla 1 Comparativa de modelos de placas Arduino

Se observa que en general, no difieren mucho las especificaciones entre

modelos, así que, por costo, tipo de entrada para el suministro de energía,

y tamaño, se escogió la tarjeta Arduino Nano para la implementación en

la tarjeta de sensores.

• Arduino Nano

“El Arduino Nano es una placa de desarrollo de tamaño compacto,

completa y compatible con protoboards, basada en el microcontrolador

ATmega328P.” [16]

Este microcontrolador cuenta con puertos digitales y analógicos.

Además, el suministro de energía puede proveerse vía micro USB o por

el puerto Vin. La distribución de pines puede ser observada en la Figura

6.

Todas las tarjetas de la familia Arduino pueden ser programadas con un

entorno de desarrollo producido por la compañía. Este entorno es conocido

como Arduino IDE [17].

Figura 6 Diagrama de pines Arduino Nano6

• Arduino IDE

Arduino IDE es un software de código abierto desarrollado por la

compañía Arduino y disponible para sistemas operativos Windows, Linux

y Mac OS X.

Este programa facilita la codificación y carga de los programas a todas las

tarjetas de desarrollo Arduino y a otras que son compatibles. Su interfaz se

observa en la Figura 7 .

6 Imagen tomada de: https://arduino.cl/wp-content/uploads/2019/01/aduino-pinout-nano-1024x671.png

https://arduino.cl/wp-content/uploads/2019/01/aduino-pinout-nano-1024x671.pnghttps://arduino.cl/wp-content/uploads/2019/01/aduino-pinout-nano-1024x671.png

Figura 7 Interfaz Arduino IDE

Componentes de sensado para la tarjeta de sensores

Los sensores utilizados en el proceso del semillero estudiantil fueron, según

la Figura 8:

1. Sensor de temperatura DHT11

2. Sensor de humedad de suelo

3. Sensor de lluvia

4. Módulo fotorresistencia

5. Módulo micrófono

6. Sensor de flama

7. Sensor de gas

8. Sensor de ultrasonido

9. Módulo relé

Figura 8 Sensores para el sistema modular

Con el objetivo de elegir los elementos de medición más adecuados y que se

prestaran para los fines educativos buscados para el semillero, se compararon

las características de varios de estos componentes en las tablas mostradas a

continuación.

• Tablas comparativas de los componentes

- Sensor de temperatura

En la Tabla 2 se presentan las características de los sensores de humedad

relativa y temperatura AMT1001 [18], DHT11 [19] y DHT22 [20].

Tabla 2 Sensores de Temperatura y Humedad Relativa

Entre los sensores comparados, se eligió el sensor DHT11, ya que lo que se

busca en este caso es entender el funcionamiento de este tipo de sensores

y tiene alta compatibilidad con las tarjetas Arduino. Adicionalmente,

existen múltiples librerías y ejemplos de uso.

El DHT11 es un sensor de humedad relativa y temperatura, que se

comunica mediante un único bus de datos y se activa con una señal de

inicio, haciendo que este pase del modo de bajo consumo a modo activo de

funcionamiento. Posteriormente, envía la señal de respuesta con la trama

de 40 bits que refleja los datos medidos, enviando primero los bits más

altos.

La trama enviada es de 40 bits, de los cuales 2 Bytes corresponden a la

medición de humedad, 2 Bytes a la medición de temperatura y 1 Byte a la

comprobación de errores, como se observa en la Figura 9.

Figura 9 Estructura de trama enviada por el sensor DHT11

Figura 10 Distribución de pines e imagen del sensor DHT117

- Sensor de humedad de suelo

En la Tabla 3 se presentan las características de los sensores de humedad

de suelo SEN0114, Grove [21] y Sensor con sonda [22].

Tabla 3 Sensores de Humedad de Suelo

Los tres sensores comparados cumplen exactamente la misma función y

difieren únicamente en su construcción, lo cual hace que unos destaquen

en términos de durabilidad y modo de uso.

7 Imagen tomada de https://i1.wp.com/microcontrollerslab.com/wp-content/uploads/2019/03/pinout-DHT11-and-DHT22.png?ssl=1

https://i1.wp.com/microcontrollerslab.com/wp-content/uploads/2019/03/pinout-DHT11-and-DHT22.png?ssl=1https://i1.wp.com/microcontrollerslab.com/wp-content/uploads/2019/03/pinout-DHT11-and-DHT22.png?ssl=1

Finalmente se eligió el sensor Grove. En este caso el precio fue el factor

determinante, ya que funciona y se programa igual que las otras dos

referencias. Su finalidad es educativa y no estará enterrado

constantemente en la tierra, por lo cual no es necesario contar con una

sonda.

El sensor de humedad de suelo (ver Figura 11) está basado en la

conductividad y permite obtener la medición como valor analógico o como

una salida digital. Los valores analógicos van desde 0 (sumergido en agua)

hasta 1023 (al aire libre o en un suelo muy seco). La salida digital se pone

en HIGH cuando la humedad supera el valor configurado y en LOW

cuando el nivel está por debajo.

Figura 11 Distribución de pines e imagen del sensor Grove8

Los demás sensores utilizados, fueron elegidos teniendo en cuenta el costo

y su modo de uso. Su funcionamiento se muestra a continuación.

- Sensor de lluvia

El sensor de lluvia trabaja similar al sensor Grove (ver Figura 12), ya que

al igual que este, es un sensor conductivo. La cantidad de agua presente en

el sensor es proporcional a la conductividad entre los caminos e

inversamente proporcional a la resistencia, que es finalmente la que refleja

los valores entre 0 y 1023 que entrega la salida analógica.

8 Imagen tomada de https://electronicaragua.com/wp-content/uploads/2019/05/Soil-Moisture-Sensor-Module.jpg

https://electronicaragua.com/wp-content/uploads/2019/05/Soil-Moisture-Sensor-Module.jpghttps://electronicaragua.com/wp-content/uploads/2019/05/Soil-Moisture-Sensor-Module.jpg

Figura 12 Distribución de pines e imagen del sensor de lluvia9

- Módulo de fotorresistencia

El módulo de fotorresistencia mostrado en la Figura 13 entrega valores

entre 0 y 1023 dependiendo estos inversamente de la cantidad de luz que

incide sobre su superficie.

Figura 13 Distribución de pines e imagen del módulo de fotorresistencia10 (o LDR)

- Módulo micrófono

El micrófono es un transductor que convierte energía sonora a señales

eléctricas. Este micrófono, mostrado en la Figura 14, es un condensador

de placas paralelas variable, que cosiste en dos placas, una fija y otra móvil,

cuando el sonido golpea la placa móvil realizando un cambio en la

capacitancia [23]. Los valores analógicos van desde 0 (no hay ruido) hasta

1023 (mucho ruido).

Figura 14 Distribución de pines e imagen del módulo con micrófono11

9 Imagen tomada de https://i0.wp.com/ae01.alicdn.com/kf/HLB17nCuKmzqK1RjSZFjq6zlCFXaL/Snow-Rain-weather-humidity-sensor-for-Arduino-temperature-rain-sensor-water-raindrops-detection-Module-for-Arduino.jpg 10 Imagen tomada de https://aws.robu.in/wp-content/uploads/2017/09/robu-3.jpg 11 Imagen tomada de https://img3.bgxcdn.com/thumb/large/oaupload/banggood/images/7D/23/6189baa3-f5bf-45c0-b080-673d9eb3fd3d.jpg

https://i0.wp.com/ae01.alicdn.com/kf/HLB17nCuKmzqK1RjSZFjq6zlCFXaL/Snow-Rain-weather-humidity-sensor-for-Arduino-temperature-rain-sensor-water-raindrops-detection-Module-for-Arduino.jpghttps://i0.wp.com/ae01.alicdn.com/kf/HLB17nCuKmzqK1RjSZFjq6zlCFXaL/Snow-Rain-weather-humidity-sensor-for-Arduino-temperature-rain-sensor-water-raindrops-detection-Module-for-Arduino.jpghttps://i0.wp.com/ae01.alicdn.com/kf/HLB17nCuKmzqK1RjSZFjq6zlCFXaL/Snow-Rain-weather-humidity-sensor-for-Arduino-temperature-rain-sensor-water-raindrops-detection-Module-for-Arduino.jpghttps://aws.robu.in/wp-content/uploads/2017/09/robu-3.jpghttps://img3.bgxcdn.com/thumb/large/oaupload/banggood/images/7D/23/6189baa3-f5bf-45c0-b080-673d9eb3fd3d.jpghttps://img3.bgxcdn.com/thumb/large/oaupload/banggood/images/7D/23/6189baa3-f5bf-45c0-b080-673d9eb3fd3d.jpg

- Sensor de flama/infrarrojo

El sensor de flama (Figura 15) o infrarrojo se concentra en detectar

longitudes de onda entre 760nm y 110nm [24], que corresponden a las que

se encuentran la mayoría de las llamas, incendios. En ocasiones se usa de

forma similar a una fotorresistencia (para medir luminosidad) y en este

caso, la salida de ambos módulos es la misma: valores análogos entre 0 y

1023.

Figura 15 Distribución de pines e imagen del sensor de flama12

Como se observa en las Figuras 11, 12, 13, 14 y 15, estos sensores

requieren una shield13 de acondicionamiento de señal para que los datos

que entregan se conviertan en información que pueda ser usada. Esto será

abordado y explicado en la sección 5.2.2.

Por lo general, estos sensores también pueden entregar una señal digital y

el valor (1 o 0) dependerá de la calibración que realice el usuario con el

potenciómetro incorporado en la tarjeta.

Otro sensor estudiado durante el semillero estudiantil fue el sensor de gas

MQ-2, el cual es muy usado para la detección de fugas o identificación de

gases un ambiente determinado. Según el modelo, puede detectar

determinadas sustancias, como alcohol, propano, humo, entre otros.

Como se observa en la Figura 16, el voltaje de salida del sensor

incrementa cuando la concentración del gas incrementa, así que ese es el

valor utilizado para realizar el cálculo de la concentración en el

microcontrolador [25].

12 Imagen tomada de https://www.bytheway.com.co/opticoluz-y-flama-o-llama/96-sensor-infrarrojo-flama-llama-fuego-incandescencia-arduino.html 13 Placa de circuito modular, usada para agregar funcionalidades extra a otros dispositivos como microcontroladores y microprocesadores.

https://www.bytheway.com.co/opticoluz-y-flama-o-llama/96-sensor-infrarrojo-flama-llama-fuego-incandescencia-arduino.htmlhttps://www.bytheway.com.co/opticoluz-y-flama-o-llama/96-sensor-infrarrojo-flama-llama-fuego-incandescencia-arduino.html

Figura 16 Relación voltaje - concentración del gas 14

Ese necesario tener en cuenta que la relación entre el voltaje y la

concentración no es lineal y según la referencia del sensor, se tienen curvas

diferentes. En la Figura 17 se muestra las curvas correspondientes al

sensor MQ-2, que es el que se incluyó en el sistema modular.

Figura 17 Características15 de sensibilidad típicas del MQ-2 para diferentes gases a 20°C, 65% de humedad, RL=5K

La sensibilidad del sensor puede ajustarse con el potenciómetro que viene

sobre la pequeña shield.

14 Imagen tomada de: https://lastminuteengineers.com/wp-content/uploads/arduino/MQ2-Gas-Sensor-Output.gif 15 Imagen tomada de: https://cdn.instructables.com/FQP/LBGN/IQ8SBBFD/FQPLBGNIQ8SBBFD.LARGE.jpg?auto=webp&fit=bounds

https://lastminuteengineers.com/wp-content/uploads/arduino/MQ2-Gas-Sensor-Output.gifhttps://lastminuteengineers.com/wp-content/uploads/arduino/MQ2-Gas-Sensor-Output.gifhttps://cdn.instructables.com/FQP/LBGN/IQ8SBBFD/FQPLBGNIQ8SBBFD.LARGE.jpg?auto=webp&fit=boundshttps://cdn.instructables.com/FQP/LBGN/IQ8SBBFD/FQPLBGNIQ8SBBFD.LARGE.jpg?auto=webp&fit=bounds

Este tipo de sensores es muy usado para medir la calidad del aire y en otras

aplicaciones similares como en estaciones meteorológicas, pero no se

recomienda su uso en casos donde a partir de los datos que entrega, pueda

darse la posible evacuación de personas en un recinto (ver Figura 18).

Figura 18 Distribución de pines e imagen del sensor de gas16

- Sensor de ultrasonido

El sensor de ultrasonido HC-SR04 se compone de dos partes: un emisor

(trigger) y un receptor (echo). El trigger emite un pulso a 40000 Hz que

viaja a través del aire y cuando rebota contra un objeto, esta señal vuelve

hacia el sensor y es leído a través del pin echo.

La distancia al objeto más cercano es calculada teniendo en cuenta la

velocidad del sonido en el aire y el tiempo entre la emisión y recepción del

pulso al rebotar, dando como resultado la fórmula [26]:

𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 ∗0.034

2

El HC-SR04 de la Figura 19 es muy usado en aplicaciones de vehículos

autónomos para esquivar obstáculos y en el área de la domótica para

detección de presencia de personas y objetos y posteriormente, ejecutar

acciones.

Figura 19 Diagrama de pines del sensor ultrasónico17 HC-SR04

16 Imagen tomada de https://leantec.es/wp-content/uploads/2018/02/p_3_3_2_0_3320-MQ-2-modulo-sensor-detector-humo-y-gas-combustible-Arduino.jpg 17 Imagen tomada de https://i1.wp.com/saber.patagoniatec.com/wp-content/uploads/2014/10/HC-SR04-Ultrasonic-Distance-Sensor-Pinout.jpg?w=1080&ssl=1

https://leantec.es/wp-content/uploads/2018/02/p_3_3_2_0_3320-MQ-2-modulo-sensor-detector-humo-y-gas-combustible-Arduino.jpghttps://leantec.es/wp-content/uploads/2018/02/p_3_3_2_0_3320-MQ-2-modulo-sensor-detector-humo-y-gas-combustible-Arduino.jpghttps://i1.wp.com/saber.patagoniatec.com/wp-content/uploads/2014/10/HC-SR04-Ultrasonic-Distance-Sensor-Pinout.jpg?w=1080&ssl=1https://i1.wp.com/saber.patagoniatec.com/wp-content/uploads/2014/10/HC-SR04-Ultrasonic-Distance-Sensor-Pinout.jpg?w=1080&ssl=1

- Módulo relé

El relé (o relay) es un dispositivo electromagnético que funciona como un

interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de

una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos

que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Un

relé puede controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de

entrada, por ello es muy utilizado en aplicaciones domóticas donde un

dispositivo de baja potencia, controla elementos del hogar alimentados

desde la red eléctrica.

Para el sistema modular se incluyó un módulo relé de 5V (ver Figura 20),

cuyo funcionamiento es idéntico al de un relé común, pero presenta una

mayor facilidad de conexión ya que se encuentra montado sobre una

pequeña placa con borneras y pines.

Figura 20 Diagrama de conexiones relé 5V18

Diseño de la tarjeta de sensores

La tarjeta de sensores implementada fue diseñada en el programa EAGLE

[27] en su versión 8.6.3.

EAGLE es un software de diseño de CadSoft Computer GmbH y Autodesk

usado para el diseño de diagramas electrónicos y PCBs19. Cuenta con

herramientas de generación de pistas automáticas entre los componentes

conectados y está disponible en varias versiones donde varía el número de

esquemáticos que se pueden realizar, capas de la impresión, tamaño del PCB

y costo. Además, es posible descargar e incluir librerías previamente

desarrolladas para elementos comerciales como tarjetas de desarrollo y

sensores e incluso crear librerías de acuerdo a la necesidad del diseñador.

La Figura 21 muestra los modos Schematic (esquemático) y Board (PCB)

respectivamente.

18 Imagen tomada de https://www.circuitbasics.com/wp-content/uploads/2015/11/5V-Relay-Pinout1.png

19 Printed Circuit Board

https://www.circuitbasics.com/wp-content/uploads/2015/11/5V-Relay-Pinout1.png

Figura 21 Modos de trabajo de EAGLE (esquemático y board) Componentes de sensado: variables a medir y sensores a utilizar [28]

4.4. Sistema de riego automatizado para huerta escolar

Un sistema de riego automatizado es un conjunto de estructuras (mangueras,

tubos, canaletas, etc.) y dispositivos interconectados (sensores, actuadores,

pantallas, etc.) que permite regular la cantidad de agua que se distribuye en la

misma.

El uso de estos sistemas es una práctica cada vez más común, tanto en la

cotidianidad, como en el sector industrial, ya que trae beneficios como: tiempo de

riego, eficiencia y optimización del recurso hídrico. Además, pueden utilizarse para

adicionar fertilizantes y otras sustancias que ayuden al crecimiento sano de las

plantas.

Estudiando el estado del arte, se encuentran varios antecedentes en el ámbito de la

agricultura y específicamente en huertas urbanas, donde se han implementado

diversos sistemas y estrategias de mantenimiento con diferentes niveles de

complejidad.

Uno de los proyectos adelantados en esta área, es el de huertas sostenibles,

implementado por la Universidad Católica de Colombia – Bogotá, en la localidad

de Usme, donde incorporan el IoT para el cuidado, mantenimiento y monitoreo de

la huerta.

Como se muestra en la Figura 22, el sistema de riego de esta localidad, tiene una

arquitectura compuesta por una malla atrapaniebla que sirve para recolectar agua

que se encuentra en el aire, y se almacena en un tanque conectado a las mangueras

de riego. Para conocer el momento en el que es pertinente realizar el riego, se

conecta un sensor de humedad de suelo a un Arduino. La información de humedad

recolectada es enviada inalámbricamente a un equipo donde se guarda y

posteriormente es subida a una plataforma IoT.

Figura 22 Arquitectura sistema de riego Usme

Otro proyecto basado en automatizar el riego en una huerta es el que se encuentra

en el colegio de la Universidad Pontificia Bolivariana, donde estudiantes del grado

once diseñaron un sistema (ver Figura 23) cuya fuente de energía es el sol. Esta

energía es almacenada a través de un panel solar, que alimenta el microcontrolador

que se encarga de temporizar un riego diario y activa los aspersores ubicados en la

huerta.

Figura 23. Arquitectura sistema de riego colegio UPB

4.4.1. Sistema de riego automatizado para la huerta de la institución Antonio Derka

Como se ilustra en la Figura 24, el funcionamiento general del sistema

implementado consiste en un mecanismo de canaletas para la recolección de

aguas lluvias que se almacenan en un tanque de suministro, ubicado en un

lugar más alto que la huerta, para así aprovechar el efecto de la gravedad y

evitar el uso de motobombas.

El tanque surte de agua al sistema mediante mangueras cuando se envía de

forma remota la orden de riego desde la unidad de control, activando las

electroválvulas correspondientes. Las órdenes de control son ejecutadas de

acuerdo a la variable humedad de suelo, medida con los sensores ubicados en

cada una de las 4 secciones de la huerta.

Si el nivel del tanque no es suficiente para un riego completo, se llena desde

el acueducto hasta el nivel necesario antes de proceder al riego.

Mediante los sensores ubicados en la huerta es posible monitorear su estado

en tiempo real y desplegar los datos visualmente en la pantalla táctil y vía

web.

Figura 24 Arquitectura general del sistema de riego

El sistema de riego automatizado puede verse como la unión de varios

subsistemas, donde cada uno de ellos tiene funciones específicas. La

distribución mencionada se observa en la Figura 25.

Figura 25. Subsistemas del Sistema de Riego Automatizado (SRA)

A continuación, se describen y explican los subsistemas y componentes de este Sistema de Riego Automatizado (SRA)

• Subsistema de control y plataforma IoT: en este subsistema se

toman las decisiones de control, basadas en un controlador ON/OFF

diseñado para mantener el nivel de líquido adecuado en el tanque y la

activación precisa de la(s) electroválvula(s) correspondiente(s).

• Red inalámbrica de sensores: se habla sobre la interconexión de los

sensores con un nodo central (Raspberry-Servidor), a través de los

dispositivos de comunicación NodeMCU 8266, con el fin de hacer llegar

la información correctamente a los nodos que hacen uso de ella para

ejecutar acciones pertinentes.

• Actuadores: se describen los elementos que ejecutan las acciones de

control. En este caso, se trata de electroválvulas accionadas para hacer el

riego u obtener el nivel deseado de agua en el tanque de suministro.

• Componentes de sensado: se describen las variables a medir y

sensores a utilizar.

• Exportación y análisis de datos: los datos provenientes de las

mediciones hechas en la huerta, son subidos a una plataforma IoT para

ser procesados y analizados.

• Visualización: se despliegan los datos de forma local (en el centro de

mando del sistema) y de forma remota (mediante una página web

empleando la plataforma IoT).

4.4.2. Comunicación y control

Esta sección describe los componentes y protocolos asociados a la

comunicación entre los dispositivos conectados a la red y las estrategias de

control implementadas para lograr que el sistema lleve a cabo las acciones

pertinentes de actuación, como el riego y el llenado del tanque.

4.4.2.1. Red inalámbrica de sensores

“Las redes inalámbricas de sensores (WSN Wireless Sensor Network), se

basan en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de

obtener información de su entorno, procesarla localmente, y comunicarla a

través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación.” [29]

Para construir la red inalámbrica de sensores fue necesario definir un

estándar de comunicación.

Un estándar de comunicación es un conjunto de características concertado

por los fabricantes y desarrolladores de dispositivos, sobre el cual se

fundamentan las tecnologías que desarrollan. A su vez, tienen reglas

preestablecidas con los que se pueden construir redes de comunicaciones,

haciendo que los dispositivos conectados en la red se entiendan al

comunicarse “en el mismo idioma”, así no sean del mismo fabricante. Estas

reglas se conocen como protocolos [30] de comunicación.

La elección de un buen estándar de acuerdo a la aplicación requerida, puede

hacer que la implementación de la red sea más eficiente.

En la Tabla 4 se puede observar la comparación de tres estándares de

comunicación.

Tabla 4 Estándares de comunicación

Teniendo en cuenta las características presentadas y la aplicación, se eligió el

Wi-Fi [31] como el estándar que más se adapta a las condiciones del sistema

de riego, puesto que este permite tener mayor cobertura a larga distancia y

más alta velocidad de transmisión de información. Además, pensando en la

extensión del sistema a otras huertas, puede facilitar el crecimiento de la red

y la escalabilidad.

Basado en el estándar de comunicación seleccionado, se usó el dispositivo

NodeMCU ESP8266 [32]. Esta es una tarjeta de desarrollo similar a Arduino,

pero especialmente relacionada al IoT. Es un chip altamente integrado,

diseñado para las necesidades de un mundo conectado. Cuenta con un

procesador con arquitectura de 32 bits y conectividad Wi-Fi. En la Figura

26 se puede observar el diagrama de pines del NodeMCU ESP8266 y las

características más relevantes del dispositivo.

Figura 26 Diagrama de pines y características del NodeMCU ESP8266 [33]

4.4.2.2. Control y plataforma IoT

En esta sección se abarcarán los tipos de controladores y las técnicas de

control más usadas en la actualidad para sistemas de riego automatizados,

así como los tipos de sistemas de control y cómo pueden ser utilizados para

realizar el riego en la huerta de la institución.

Además, se describen los elementos que hacen posible implementar el

protocolo de comunicaciones entre los nodos y el Node-RED.

Controladores y técnicas de control

Tipos de sistemas de control

Un sistema de control es un conjunto de componentes interconectados de

modo que puedan ser comandados, dirigidos o regulados por sí mismos o por

otro sistema para lograr una condición deseada. [34]

Los sistemas de control se pueden clasificar en dos tipos basados en la acción

de control, ya sea ésta independiente, o no, de la salida del sistema que se

desea controlar.

• Sistemas de control en lazo abierto.

Este sistema también es conocido como bucle abierto, donde su salida

depende de la señal de entrada, pero no se verifica que la salida sea igual

a la señal de entrada deseada, por lo cual este sistema no es capaz de

corregir los errores que se puedan presentar en la salida. En la Figura

27 se puede observar el diagrama de bloques que representa este tipo de

sistemas.

Figura 27 Lazo de control abierto20

• Sistemas de control de lazo cerrado

También conocido como bucle cerrado o realimentado, este tipo de

control comprueba la señal de salida con respecto a la señal de entrada y

toma la decisión de modificar o no la señal de salida para alcanzar el valor

puesto a la entrada. En la Figura 28 se puede observar el diagrama de

bloques de este sistema de control.

Figura 28 Lazo de control cerrado21

Dos ejemplos de los lazos de control cerrado que se usan en sistemas de

riego para las variables humedad de suelo y nivel se muestran en las

Figura 29.

Figura 29 Lazo de control para el sistema de riego

20 Imagen tomada de: https://angelmicelti.github.io/4ESO/CYR/lazo_abierto.png 21 Imagen tomada de: https://angelmicelti.github.io/4ESO/CYR/lazo_cerrado.png

https://angelmicelti.github.io/4ESO/CYR/lazo_abierto.pnghttps://angelmicelti.github.io/4ESO/CYR/lazo_cerrado.png

Tipos de controladores

Los controladores pueden ser de diferentes tipos, con relación a las acciones

de control que pueden realizar. La mayoría de estas acciones de control

determinan si el sistema es discontinuo o continuo.

• Controladores discontinuos

En la industria se clasifica como controlador discontinuo todo aquel que

no tiene una señal continua en el tiempo para realizar su acción de control

sobre la salida, por lo cual sus acciones están determinadas como puesto

en marcha “encendido/on” o fuera de marcha “apagado/off”.

• Controladores continuos

De forma contraria a los controladores discontinuos, este tipo de

controlador si tiene una señal continua en el tiempo para realizar su

acción de control, permitiendo así tomar valores intermedios entre un

valor inicial y un valor final.

En esta clase de controladores se pueden encontrar diferentes tipos, como

los descritos a continuación:

- Controladores Proporcionales (P) [35]: también conocido como

controlador base que tiene una salida que cambia proporcionalmente

a su entrada.

- Controladores Integrales (I) [36]: tienen una salida proporcional

a la integral de su entrada y elimina el offset22, porque la acción de

control aumenta, aunque el error sea constante (se conoce como

integración del error).

- Controladores Derivativos (D) [37]: tienen una salida

proporcional a la derivada de su entrada y aumenta la velocidad de

reacción a un cambio de error (se conoce como acción anticipadora).

A nivel industrial no se recomienda usar los controladores integrales y

derivativos de forma individual, pero si realizar combinaciones con el

proporcional. Las versiones que mejor se adaptan son los controladores PI,

PD y PID.

22

Para diseñar un sistema de control, es necesario conocer la planta tratada.

Cuando la planta es un tanque de almacenamiento es posible plantear el

modelo matemático de la misma, para proceder al diseño del controlador,

como se muestra en el siguiente procedimiento:

• Modelo de tanque:

Figura 30 Esquema del modelo del tanque

Variables del modelo:

𝑄𝑒 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 [𝑚3

𝑠]

𝑄𝑠 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 [𝑚3

𝑠]

ℎ = 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 [𝑚]

𝑅 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 [𝑚2]

𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 [𝑚3]

Como será mencionado en la sección 4.4.2.2.1.3, el objetivo del

controlador es mantener el nivel del líquido en el tanque del sistema

mientras ejecuta el riego, regulando la entrada del agua al tanque

(apagar/encender válvula de llenado).

Se realiza la relación de entrada y de salida para así lograr mantener el

nivel, y se expresa de la siguiente manera:

𝑑𝑉

𝑑𝑡= 𝑄𝑒 − 𝑄𝑠

(1)

El volumen acumulado será determinado por:

𝑉 = 𝐴 ∗ ℎ(𝑡) (2)

Remplazando (2) en (1) se tiene que:

𝐴 ∗𝑑ℎ(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑄𝑒 − 𝑄𝑠 (3)

La resistencia está determinada por:

𝑅 =ℎ(𝑡)

𝑄𝑠 ⇒ 𝑄𝑠 =

ℎ(𝑡)

𝑅

Al remplazar esto en la ecuación (3), queda:

𝐴 ∗𝑑ℎ(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑄𝑒 −

ℎ(𝑡)

𝑅 (4)

Reorganizando la ecuación se tiene:

𝑅 ∗ 𝐴 ∗𝑑ℎ(𝑡)

𝑑𝑡+ ℎ(𝑡) = 𝑅 ∗ 𝑄𝑒 (5)

Entonces se puede definir 𝜏 = 𝐴 ∗ 𝑅, la ecuación (5) queda:

𝜏 ∗𝑑ℎ(𝑡)

𝑑𝑡+ ℎ(𝑡) = 𝑅 ∗ 𝑄𝑒 (6)

Aplicando la transformada de Laplace a la ecuación (6), se tiene:

𝜏 ∗ 𝑠 ∗ 𝐻(𝑠) + 𝐻(𝑠) = 𝑅 ∗ 𝑄(𝑠) (7)

Reorganizando la ecuación (7), obtenemos.

𝐻(𝑠)

𝑄(𝑠)=

𝑅

𝜏∗𝑠+1 (8)

Donde la ecuación (8) es la función de trasferencia que describe el

sistema para el modelo del tanque.

Cuando un sistema está descrito por una función de transferencia como

la hallada con el procedimiento anterior, la respuesta típica con un

controlador on/off es la siguiente (ver Figura 31):

Figura 31 Respuesta temporal23 del nivel en sistema con controlador on/off

El modelamiento matemático anterior caracteriza este tipo de sistema y

puede aplicarse al tanque de suministro del que se dispone en la huerta.

Técnicas de control para sistemas de riego [37]

• Control por tiempo

En este tipo de control se calcula la duración del riego en función de la

cantidad necesaria de agua. Los elementos principales a tener en cuenta

son las electroválvulas, que por lo general se instalan NC y la medición del

tiempo implementada en el microcontrolador. A partir de esta medición,

se accionan circuitos electrónicos a determinadas horas o por lapsos de

tiempo programados, haciendo la activación de las electroválvulas y se

mantienen abiertas mientras se les aplique el voltaje correspondiente. Por

lo general, se hace este proceso teniendo en cuenta alguna variable

medida en el cultivo como indicador de inicio.

Estos controladores son muy usados por su implementación sencilla, y

bajo costo, pero tienen la desventaja de que, si el caudal cambia, puede

aumentar o disminuir