sistema integrado de monitoreo y...
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SISTEMA INTEGRADO DE MONITOREO Y ALIMENTACIÓN PARA TILAPIA
INTEGRATED MONITORING SYSTEM AND FEEDING OF FISH
*Luis Ramírez Vargas-**Elkin David Gutiérrez
Resumen: En Colombia por su riqueza hídrica presenta un gran potencial en el cultivo
acuícola, pero debido a el desconocimiento de los procesos y al poco control que hacen los
organismos competentes de los factores que afecta esta actividad, generan pocas ganancias
a sus cultivadores y grandes dificultades para realizarla. Este articulo describe el desarrollo
de un sistema de alimentación programable, el cual cuenta con un sensor de oxigeno de la
empresa Atas Scientific denominado Dissolved Oxygen Kit y un sensor de temperatura tipo
sonda denominado DS18B20, que se encargan de obtener sus respectivos valores para
enviarlo a un micro controlador CY8CKIT-059 PSoC® 5LP Prototyping Kit el cual lo transfiere
por medio de un módulo Zigbee a un computador, este cuenta con una interfaz gráfica
desarrollada en Python la cual almacena y organiza todos los datos obtenidos tanto por los
sensores como por el usuario, dicha interfaz se encarga de enviarle al micro controlador 3
horas en las cuales el usuario desea alimentar a los peces y organiza toda la información
obtenida en una base de datos que el usuario puede consultar[1][2]
Palabras clave: cultivo, Sistemas de sensores, alimentador automático, peces,Zigbee,
Python, Pyqt.
Estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). e-mail: [email protected] **Estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). e-mail: [email protected]
Abstract: In Colombia for its water wealth has great potential in aquaculture farming, but due
to lack of knowledge and little control processes that make the competent bodies of the
factors that affect this activity, they generate little profit to its growers and great difficulty do it.
This article describes the development of a programmable power supply, which has an
oxygen sensor company Atas Scientific called Dissolved Oxygen Kit and a sensor probe type
temperature called DS18B20, who are responsible for getting their values to send to a
microcontroller CY8CKIT-059 PSoC® 5LP Prototyping Kit which transfers via a Zigbee
module to a computer, it has a graphical interface developed in Python which stores and
organizes all the data collected by the sensors as both the user interface that takes care of
sending the micro controller 3 hours in which the user wants to feed the fish and organizes all
the information from a database that users can consult
Key Words: Cultivation, Sensor system, automatic feeder, fish,Zigbee,Python, Pyqt.
1. Introducción
Durante los últimos 20 años la piscicultura colombiana ha tenido un crecimiento significativo
respecto a las producciones y a la tecnología, antes y durante los años 80 se cultivaban
densidades no mayores a 1 ò 1.5 peces por metro cuadrado, es decir, en cuanto a biomasas
no se podía cultivar más de 0.5 kilos por metro cubico y la especie que se aprovechaba era
la tilapia nilotica ( Oreochromisniloticus ), era esta una piscicultura de autoconsumo con muy
poca capacidad de venta, durante estos años los consumos pert-capita escasamente podía
llegar a 2 kilos , esta actividad fue avalada por la Federación Nacional de Cafeteros y fueron
muchos los recursos económicos que se invirtieron en este proyecto, a partir de esta
iniciativa se dio principio a lo hoy se conoce como una pujante industria agropecuaria que
paso por el cultivo de la cachama (Colossomasp ), una especie nativa de gran aprecio entre
los consumidores pero que nunca genero un importante mercado salvo en los departamentos
ubicados en los Llanos Orientales de Colombia. La industria piscícola colombiana hoy
produce 56.530.98 toneladas métricas de carne de pescado continental, es decir, en
estanques, de ese total el 62 % es producción de tilapia roja para abastecer
fundamentalmente el mercado nacional, los precios actuales en ese mercado interno fluctúan
entre 3500 y 4000 pesos el kilo de pescado entero para el año 2015, es decir, sin vísceras,
sin escamas y sin branquias; los centros de mayor producción en el país están ubicados en
los departamentos de Huila-Tolima , Valle-Risaralda, Llanos Orientales y Antioquia, es en los
dos primeros núcleos de producción donde se produce entre 6000 a 7000 toneladas de
tilapia roja (Oreochromissp)al año, esta producción se hace bajo el esquema de cultivo en
jaulas a alta densidad y bajo modelos de alimentación especialmente diseñados para estos
sistemas.[2]
Teniendo en cuenta el potencial que tiene Colombia para la acuicultura, se trabajó en un
sistema de automatización de los cultivos en jaulas flotantes y estaques, el cual cuenta con
un sistema mecánico, encargado de dispensar porciones exactas de alimento y a su vez
almacenar el alimento de un día, también cuenta con un sistema programable encargado de
activar los motores para proporcionar el alimento en las horas programadas y capturar los
datos arrojados por los sensores, y una interfaz gráfica encargada de almacenar los datos
más importantes del cultivo proporcionando así una herramienta de vigilancia y consulta para
los cultivadores.
A continuación se presentan las funciones específicas del alimentador:
- Capturar niveles de oxígeno disuelto en el agua.
- Capturar niveles de temperatura en el agua.
- Proporcionar medida de alimento a una hora especifica.
- Transferir los datos capturados de forma inalámbrica a un computador.
- Servir de interfaz para programar las horas de alimentación.
- Almacenar datos del cultivo como: ID cultivo, Etapa de desarrollo, Siembra metro
cuadrado y Observaciones de transporte o contratiempos.
- Almacenar datos del cultivo cada 3 minutos como oxígeno y temperatura.
- Almacenar datos del cultivo cada día proporcionados por el usuario como: ID Cultivo,
Deceso Día, Oxigenaciones realizadas, alimento total día, observaciones.
- Visualizar en un interfaz el oxígeno disuelto y la temperatura que se encuentra en ese
instante de tiempo con un lapso de 3 minutos de diferencia entre muestra y muestra.
- Advertir al usuario sobre posible descenso del oxígeno por medio de una indicación
visual.
- Visualizar la información almacenada en tablas
- Proporcionar una herramienta de consulta de materiales de almacenaje como
productos o herramientas.
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Oportunidades y Potencial
El acuerdo hecho por el gobierno de los estados EE.UU. y el gobierno Colombiano conocido
como el TLC, ha proporcionado un visión más interesante al cultivo de tilapia en territorio
colombiano, puesto que ha abierto un mercado muy grande en el cual Colombia puede entrar
a competir. La revista semana en su edición del 30 de marzo de 2014 resalta el trabajo
hecho por una empresas de gran trayectoria, "coolfish" ubicada en la represa de Betania en
el departamento del Huila logro su primera exportación de 10 toneladas de filetes de tilapia
para restaurantes, tiendas y supermercados de Atlanta, Nueva York, Miami. Con esto marco
un precedente que otros cultivadores pueden seguir para convertir este producto en sello de
exportación de nuestro país, la rebaja arancelaria que Tratado de Libre Comercio (TLC)
logró, proporciono un plataforma para el crecimiento de este tipo de cultivos, puesto que en
dicho país es muy complicado la cría y engorde de este pez que solo crece en ambientes
tropicales y subtropicales con el que tiene Colombia, también el mercado Europeo y algunos
países árabes como Emiratos Arabes, Bahraim, Jordania y Qatar. Son mercados que podría
explotar si Colombia alcanza a cubrir la demanda interna y utilizar todos los recursos.
La riqueza hídrica que posee Colombia suma 56 embalses propicios al cultivo y cientos de
cuencas hidrográficas, adicional a esto a orillas del Océano Atlántico el departamento de la
Guajira impulsa cría y levante de engorde aprovechando el mar como su principal fuente
hídrica, un caso de esto es una empresa impulsada por el fondón emprender (FONADE) del
SENA llamada paraíso continental que se dedica a cría engorde de tilapia para exportación a
las Antillas. [3][4][5]
2.2 Cría De Tilapia Latinoamérica.
En Latinoamérica muchas empresas hacen uso de procesos que ya no están en vigencia, en
muchos campos el desarrollo de nuevas tecnologías se ha visto truncado por la falta de
investigación y la negativa que hacen algunos empresarios a los procesos automatizados,
sus costos o la inexperiencia de sus administradores son algunas causas de la resistencia al
cambio. Las empresas rurales por sus características demográficas no están exentas de
esto, por ejemplo en una empresa piscícola el 90% de los procesos de cría, engorde y
preparación, son hechos por personas que se encargan de alimentar y vigilar el cultivo, con
la desventaja que la mayoría de estas personas en muchos casos carecen de la educación
técnica para el desarrollo de dicha actividad entorpeciendo el proceso y causando
contaminación al ambiente, también manejo que hacen de la tecnología disponible es poco
eficiente puesto que la falta de capacitación promueve una inadecuado uso de los
instrumentos, que como explican en el artículo El medidor de oxígeno necesita ser calibrado
para el uso correcto del aparato, ya que la solubilidad del oxígeno en el agua varia
indirectamente según su temperatura, altura, elevación y salinidad (Meyer, 2006). Rubin
señala que el contenido de oxígeno disuelto en el agua debe ser de un mínimo de cinco
miligramos por litro para que los peces vivan en un ambiente seguro. y que en muchas
ocasiones los trabajadores no cumplen con el mínimo de reglas para su
implementación.[6][7][8][9]
2.3 Medición de temperatura y oxigeno
En la actualidad el proceso de medición de oxígeno disuelto contempla múltiples valores
como los antes mencionados en el artículo [7]. estos procesos son realizados por técnicos
profesionales en cultivo de peces, que toman los datos arrojados por dispositivos como el de
la empresa Sper Direct que se encarga de medir el oxígeno disuelto por medio de un sensor
electrónico, también en algunos casos toman muestran de agua que son enviadas a un
laboratorio donde hacen el análisis de oxígeno disuelto, pero esto puede tomar días para
mostrar los resultados, en algunos casos como Fuzzy-Logic-BasedFeederSystemForIntensive
Tilapia Production poseen un sistemas automáticos de alimentación peces que tiene en
cuenta variables de temperatura y oxigeno integrados en un dispositivo esto proporciona un
mejor control del cultivo al sensar estas variables periódicamente en el cultivo.
[7][10][11][12][13]
2.4 Alimentación
El éxito de un cultivo de tilapias depende de la eficiencia en el cultivo, principalmente del
manejo del alimento y técnicas de alimentación considerando la calidad y cantidad de
alimento a suministrar.
La tilapia es omnívora y su requerimiento y tipo de alimento varía con la edad del pez.
Durante la fase juvenil puede alimentarse tanto de fitoplancton, zooplancton etc.
En la industria piscícola el eje fundamental en el cual se basa todos los procesos es la
alimentación adecuada de los alevines, a través del tiempo han desarrollado distintos modos
de ejecutar esta actividad, en la actualidad hay sistemas manuales, mecánicos y automáticos
que se encargan de realizar esta labor tan importante para el cultivador, el sistema manual
cuenta con una persona encargada de esparcir el alimento en una forma específica, esto
depende de la fase en la cual se encuentra el pez, basado en esto existe:
2.4.1 Tasa de alimentación
Siendo la cantidad de alimento a suministrar en un sistema (estanque) y está expresado en
porcentajes de la biomasa o peso total existente en la unidad de crianza como lo muestra la
tabla 1.
Tabla 1. Tasa de alimentación de tilapia[6]
2.4.2 Frecuencia de alimentación
La frecuencia de alimentación, se refiere al número de veces por día que se debe suministrar
alimento a los peces. Normalmente se divide la cantidad de alimento calculado para cada día
en varias raciones estipulado en la siguiente tabla 2.
Tabla 2. Tipo de alimentación
2.4.3 Frecuencia de alimentación
Cuando trabajan con el modo tradicional los expertos aconsejan suministrar el alimento en
horas de la mañana, a partir de las 9:00 am y hasta antes del atardecer, es decir 5:00 P.m.
siempre aconsejan una rutina diaria a fin de acostumbrar al pez a este ritmo de alimentación.
2.4.4 Forma de alimentación
Las formas de alimentación del sistema tradicional dependen directamente del manejo, el
tipo de explotación, la edad y los hábitos de la especie. Entre los más comunes se
encuentran:
Alimentación en un solo sitio
Es adecuado para animales de 1 a 50 gramos ya que no les exige una
gran actividad de nado y permite realizar una alimentación homogénea y
eficiente.
Alimentación en "L"
Este sistema de alimentación es sugerido para animales de 50 a 100
gramos, el cual se realiza en dos orillas continuas del estaque. Los
expertos siguieren esta forma de alimentar con el fin de sacar la mayor
cantidad de heces en el momento de alimentación.
Conversión alimenticia
Se define como la cantidad de alimento suministrado (En Kilogramos)
para obtener 1kg de carne de pez.
En el cultivo de tilapia es posible obtener conversiones de 1:0,8 a 1; 1,5,
dependiendo del tipo de alimentación suministrado y estadio de
desarrollo.
Para este concepto se utiliza el llamado factor de conversión alimenticia
que se expresa de con la siguiente ecuación. [6][14]
𝑇𝐶𝐴 =𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (𝑘𝑔)
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (𝑘𝑔)
2.4.5 Alimentadores automáticos.
Para los criadores de tilapia existen una gran gama de alimentadores automáticos para la
cría y engorde de peces, estos se encarga principalmente de controlar el tiempo en el cual se
alimenta la tilapia, enviando una alerta a la hora de alimentar y proporcionando la comida a la
hora especifica. Con estos alimentadores que solo tiene en cuenta el tiempo, es entendible
que cumbre una necesidad pero no tiene un aporte significativo al desarrollo del cultivo,
puesto que cumple funciones ya cubiertas por mano de obra y no tiene en cuenta el
desarrollo del pez.[15] en el caso de chile cuenta con empresas dedicadas al cultivo de
salmón, siendo una de las más tecnificadas en cuanto a cría y engorde de una especie
acuícola, ellos en muchos casos utilizan sistemas lógicos programables que tiene en cuenta
variables como la profundidad de la jaula flotante, el modo que esparcen el alimento, la
cantidad de veces que se alimenta el salmón por día y el movimiento que hace en la
plataforma marina, en este caso ellos mezclan la mano de obra técnica calificada con
sistemas automáticos y de monitoreo de variables, para el aprovechamiento máximo del
cultivo. En los casos de la cría de tilapia, no tiene un mercado ni un desarrollo tan fuerte
como el del salmón pero cuentan con alimentadores que guardan variables y llevan registros
de la actividad productiva. Estos registros son ingresados manualmente a una interfaz gráfica
que muestra el desarrollo de los alevines, esto sumado a un monitoreo constante de los
peces, permiten tomar decisiones en tiempo real y previenen posibles problemas; como
enfermedades, reducidos niveles oxígeno y peligros que afecten a las tilapias, siendo un
sistema que ofrece las herramientas suficientes para tomar decisiones trascendentales para
el cultivo, que a largo plazo determinan el éxito o el fracaso de la actividad
acuícola.[8][16][17][18][19][20][21]
Imagen 1. Alimentadores automáticos[19]
2.4.6 Robots Alimentadores.
La empresa canadiense fishfeeders diseñó un robot que permite tener un control de las
variables que afecta la cría de peces, debido a que estos robots se encuentran en un recinto
cerrado la forma como desarrollan la actividad les permite optimizar la alimentación y evitar la
contaminación de ambientes naturales, esto es un beneficio a la hora de controlar las
enfermedades causadas por organismos inmersos al ambiente, controlando tipos de
variables ambientales físicas y químicas en un solo sistema, pero aunque este sistema
permite un control muy elevado de las variables a considerar a la hora de tener un cultivo
acuícola, su costo y su tamaño restringe la versatilidad que ofrece la naturaleza para cultivar
en espacios abiertos, e incrementa las adaptaciones que se deben hacer al cultivo para
poder implementar dicho sistema satisfactoriamente. [22][23][24][25]
3. DESARROLLO SISTEMA AUTOMÁTICO DE PECES
En el desarrollo del sistema se utilizó una cantidad de elementos que acoplados cumplen
con las funciones requeridas por esté, a continuación se muestra como el sistema emplea
estos elementos para su funcionamiento y a través del artículo se describe cada una de
estos.
Figura 1.Diagrama de funcionamiento
3.1 Diseño sistema mecánico
El desarrollo mecánico se implementó en tres etapas, estas etapas comprende la
investigación, diseño e impresión del prototipo.
3.1.1 Investigación.
para esta etapa del proceso se indago las diferentes formas de dividir el alimento en
porciones manejables y contables, de tal forma que se pudiera calcular de manera simple la
cantidad de alimento que se proporcionaría a los peces, se obtuvo una cantidad pequeña de
alimento para peces, para así calcular el volumen deseado (500 gramo aproximadamente por
servicio), se utilizó la fórmula de volumen de un cubo 𝐿3y una regla de tres simple y directa
para calcularlo los 500 gramos deseados, el diseño que debía cumplir las dos funciones tanto
de extraer la cantidad de alimento como de mantener el alimento restante en su lugar de
almacenamiento, se logró con un diseño de media luna que extraía la cantidad deseada sin
desperdiciar el alimento restante como se muestra en la figura.
Imagen 2. Diseño de inspiración.[26]
3.1.2 Diseño.
Para la etapa de diseño del prototipo se utilizó la herramienta denominada SolidWorks 2012,
done nos permitió diseñar en 3D las partes mecánicas que corresponderían al soporte del
motor, la tolva donde estaría alojado el alimento y el dispensador encargado de porcionar la
comida del pez, también en esta herramienta pudimos aplicara cargas a toda la estructura
para observar el comportamiento del sistema mecánico con la carga total de alimento.
3.1.3 Impresión del prototipo
Debido a que el mecanizado de todas la piezas correspondientes a la estructura del sistema,
representaba mucho trabajo y conocimiento que no correspondía a el área a tratar por los
estudiantes, se optó por imprimir el diseño en la prototipadora que se encuentra en las
instalaciones de la facultad tecnológica Universidad Distrital donde nos exigían el diseño
desarrollado en un programa CAD.
Imagen 2. Impresión de piezas 3D
3.2 Desarrollo e implementación de las funciones programables y caracterización de
los sensores.
3.2.1 Sensor de oxígeno.
Se decidió utilizar un sensor de oxigeno el cual tuviera implementada la comunicación y
configuración propia del sensor, el cual enviar la información por medio de comunicación
r232, por costo y facilidad se decidió escoger el sensor de oxigeno denominadoDissolved
Oxygen Kit de la compañía Atas Scientific el cual proporcionaba la información y
configuración del sensor por medio del protocolo de comunicación r232, Está conformado por
un electrodo polarográfico que mide la concentración del oxígeno disuelto en agua y
soluciones acuosas. Un cátodo platino y un ánodo de referencia de plata/cloruro de plata en
un electrolito de KCI, está separados de la muestra por una membrana plástica permeable al
gas.
Imagen 3. Forma de sonda.[27]
Un voltajefijo se aplica al electrodo de platino. Como el oxígeno se difunde por la membrana
al cátodo, se reduce:
½ 𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 2𝑒− → 2 𝑂𝐻
La oxidación se produce en el electrodo de referencia (ánodo)
𝐴𝑔 + 𝐶𝑙− → 𝐴𝑔𝐶𝑙 + 𝑒−
Corriente se convierte en voltaje proporcional, que se amplifica y se lee por cualquier interfaz
de Vernier.
Imagen 4.Imagen del Kit De OD.[1]
Imagen 5.Imagen del módulo OD.[1]
El sistema de monitoreo de oxigeno que provee la compañía "Atlas Scientific", puede ser acoplado a cualquier sonda o sensor de oxígeno disuelto galvánica (HDPE). Las lecturas son presentadas directamente en Mg/L y tienen una capacidad de compensar las variaciones de temperatura y salinidad.
Tabla 3. Características modulo.[1]
3.2.2 Pruebas sobre el módulo de control de oxígeno.
Esta pruebas se desarrollan en torno a los sensores que componen el sistema y que se
utilizan para capturar los datos que serán enviados a la interfaz, estas pruebas constan en
calibrar los sensores con patrones definidos, en el caso del sensor de oxigeno el micro
controlador se encarga de hacer las compensaciones, pero es necesario calibrarlo en la
atmosfera como lo especifica el manual.
3.2.3 Calibración del sensor de oxígeno disuelto.
Después de calibrar el modulo con los parámetros establecidos en el manual utilizando el
oxígeno de la atmosfera para realizar este proceso, es necesario calibrar el sensor de
oxigeno con un parámetro definido u otro sensor que su calibración se haya realizado poco
tiempo después de la calibración del sensor o con una solución con 0% de oxígeno disuelto
que viene con la sonda comprada, los paso para realizar esta calibración son:
1. Conectar el modulo D.O. y la sonda con el microcontrolador o conexión r232 para poder
visualizarlo.
2. Sincronizar el r232 o el micro controlador al computador para visualizar y poder enviar
comandos al módulo la comunicación debe ser 38400 bits por segundo, 8 bits de datos,
paridad Ninguno, bits de parada 1, control de flujo ninguno.
3. Sumergir la sonda en la solución de 0% oxigeno.
4. Dejar la sonda sumergida hasta que el oxígeno llegue a 0.
5. Después de 5 minutos, en el monitor serial de la interfaz del computador,
Ingresar el comando: “cal,0” de calibrar, el LED se encenderá Cian durante la calibración,
después de 1.3 segundos el D.O. Stamp transmitirá “1” indicando que la orden ha sido
procesada correctamente.
La prueba de acondicionamiento del módulo de medición de oxígeno disuelto, consiste en
verificar que los valores medidos se encuentran dentro del rango de seguridad permitido, y
que se encuentran limitados por defecto entre 8,4mg/l y 8,7mg/l.
Se realizan mediciones con el sensor de “Atlas Scientific” del módulo del sistema, y se las
compara con los valores teóricos que se encuentran relacionados con la temperatura,
medida que se adopta por el alto costo de los medidores de oxígeno disuelto que sirven
como medidas patrón.
Como se observa en la Tabla, se efectúan 6 mediciones, una cada hora, debido al tiempo
que tardan en estabilizarse las medidas brindadas por el sensor utilizado, y con el objetivo de
que guarde en cierta manera relación con las medidas de temperatura realizadas.
Muestras OD Medido OD Patrón Temperatura
Patrón Temperatura
Media Error parcial
relativo
Horas Mg/L Mg/L ºC ºC %
0 8,55 8,6 23 23,4 0,58
1 8,55 8,6 23 23,3 0,7
2 8,6 8,6 23 23,4 1,18
3 8,61 8,6 23 23,3 0
4 8,61 8,6 23 23,4 0,7
5 8,6 8,6 23 23,4 0,58
Oxigeno Disuelto Promedio [mg/l] 8,59
Desviación Estándar 0,03
Error Relatvo [%] 0,75%
Tabla 4. Pruebas de Oxigeno
En la figura 2. Se aprecia el comportamiento del oxígeno respecto al patrón.
Figura 2. Grafica Comportamiento oxigeno
0; 8,55 1; 8,55
2; 8,6
3; 8,61 4; 8,61
5; 8,60; 8,6 1; 8,6 2; 8,6 3; 8,6 4; 8,6 5; 8,6
8,54
8,55
8,56
8,57
8,58
8,59
8,6
8,61
8,62
0 1 2 3 4 5 6
Oxi
gen
o D
isu
elt
o
Horas
Desviacion estandar oxigeno disuelto
Oxigeno Medido
3.2.4 Sensor de Temperatura.
Mediante esta prueba se confirma que el microcontrolador está procesando adecuadamente
los datos emitidos por el sensor de temperatura, y que las medidas presenten una buena
exactitud en contraste al valor patrón del sensor de mercurio analógico de precisión utilizado
para esta prueba.
Con el fin de verificar esta acción, esta se hace cuando el sistema se encuentra funcionando
normalmente
En la Tabla 5 se presenta los valores de temperatura obtenidos en funcionamiento normal,
tomados cada 20 minutos:
Tabla 5. Pruebas de Temperatura
Muestras Temperatura
medida Temperatura
Patrón Error parcial
relativo
Horas ºC ºC %
0 23,4 23,4 0
20 23,4 23,4 0
40 23,3 23,4 0,43
60 23,3 23,4 0
80 23,4 23,4 0
100 23,4 23,4 0
120 23,4 23,4 0
140 23,3 23,4 0,43
160 23,4 23,4 0
180 23,3 23,4 0,43
Oxígeno Disuelto Promedio [mg/l] 23,36
Desviación Estándar 0,05
Error Relatvo [%] 0,43%
En la figura se muestra el comportamiento de la temperatura obtenida, versus el patrón
obtenido con el termómetro de alta precisión.
Figura 3. Grafica comportamiento temperatura
3.2.5 Reloj en el tiempo real DS1307
El circuito DS1307 es un reloj en tiempo real (RTC) serial de 64KBytes por 8bits, el cual da
información de año, mes, día, horas, minutos y segundos, incluso hace compensación de
año bisiesto hasta el 2100. Opera tanto en formato de 12 horas como de 24 horas, con
indicador de AM y PM.
Tiene la capacidad de detectar la falta de suministro de energía y conmutar automáticamente
a una batería externa de 3,6 Vdc.
Al estar operando como esclavo en el bus serial, las direcciones y datos son transferidos de
forma serial al microcontrolador utilizando el protocolo I2C, a través de los pines SDA y SCL.
A continuación la distribución de los pines del RTC.
3.2.6 L298N Driver dual para motor.
Este módulo basado en el chip L298N te permite controlar dos motores de corriente continua
o un motor paso a paso bipolar de hasta 2 amperios.
El módulo cuenta con todos los componentes necesarios para funcionar sin necesidad de
elementos adicionales, entre ellos diodos de protección y un regulador LM7805 que
suministra 5V a la parte lógica del integrado L298N. Cuenta con jumpers de selección para
habilitar cada una de las salidas del módulo (A y B). La salida A está conformada por OUT1 y
OUT2 y la salida B por OUT3 y OUT4. Los pines de habilitación son ENA y ENB
respectivamente.
Según las pruebas realizadas este tipo de Driver soporta la carga del motor sin que este se
llegue a bloquear, esto se ve en la siguiente grafica tomada por el multímetro digital graficado
289 de la marca "Fluke".
Figura 4. Corriente de trabajo del motor
3.2.7 Microcontrolador y funciones.
Las funciones programables del sistema son dirigidas por un micro controlador denominado
CY8CKIT-059 PSoC® 5LP Prototyping Kit, el cual cuenta con múltiples módulos digitales y
analógicos programables, los cuales facilitan la comunicación y la operación de los distintos
periféricos necesarios para desarrollar todas las funciones del sistema.
la razón por la cual se escogió este microcontrolador fue, porque permite múltiples entradas y
salidas seriales necesarias para utilizar todos los demás elementos como por ejemplo, la
RTC DS1307 que se comunica por i2C y se encarga de manejar las hora indispensables para
crear las alarmas y alimentar a los peses, también el módulo de oxígeno y el módulo Zigbee
se comunica por medio del protocolo de comunicación rs232 uno para enviar los datos del
sensor de oxígeno al microcontrolador y el otro encargado de realizar la comunicación
inalámbrica, y finalmente el PWM encargado de mover el motor por medio de un driver dual
L298N que dispensaría la comida, esto sumado a su gran capacidad y versatilidad marco un
punto importante para seleccionar este microcontrolador.
Figura 5 Diagrama de flujo microcontrolador
3.2.8 Comunicación inalámbrica módulos xbee pro.
Los módulos de la marca "Xbee" que utilizan el protocolo de comunicación Zigbee son
indispensables para dar solución al problema de la comunicación inalámbrica, son
económicos y versátiles para enviar los datos inalámbricamente, para la comunicación con el
computador fue necesario realizar una PCB soporte con módulo de comunicación rs232 que
permitiera recibir los datos del Xbee, la configuración del Xbee fue punto a punto para
comunicar solo dos módulos, sus características son:
Alcance en interiores/zonas urbanas: 90m
Alcance en exteriores/Línea de visión: 1.6km
Potencia de Transmisión: 50mW(17 dBm)
Corriente de Reposo: <10µA @ 25ºC
Frecuencia de Operación: 2.4Ghz
Velocidad de datos en RF: 250kbps
3.2.9 Diseño de modulo suministro de energía
Este módulo es el encargado de abastecer y cumplir los requerimientos energéticos del
sistema, tanto en su autonómica como en sus necesidades de potencia, para este proyecto
se toma en cuenta el valor amperios hora necesarios, basados en todos los elementos que
componen el proyecto, también por sus características inductivas se decidido implementar
un suministro de energía independiente para la parte electromecánica, en este caso el motor.
Para cada uno de los elementos que componen el sistema se hizo un análisis de consumo
expresado en la siguiente tabla.
Elemento Descripción Voltaje Potencia Aprox. consumo
Circuito de control Psoc 5, LCD, RTC, Sensor D.O, Sensor de temperatura, Modulo Xbee, fuentes DC-DC,
5v 2,1 W
Módulo de alimentación
Motor DC 5V 7,5 W
Total 9,6 W
Figura 6. Estudio de consumo.
Debido a que las potencias calculadas son reales, y las baterías a utilizar están expresadas
en amperios hora, debemos utilizar la formula (1) para determinar el consumo y hace
establecer las horas de independencia de todo el sistema, como se expresó en el apartado
anterior, cada sistema tiene una batería independiente, esto se hace con el objetivo de evitar
ruidos magnéticos sobrecarga de la corriente soportada por el sistema, y protección de los
elementos.
𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑃×𝑡
𝑉 (1)
Aplicamos la fórmula (1) para cada una de los elementos como resultado nos da la siguiente
datos (4)(5).
2.1×12
5= 5.04 𝐴ℎ (2)
7,5×24
5= 10.08 𝐴ℎ (3)
𝐼 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 = 10.08 𝐴ℎ (4)
𝐼 𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 36 𝐴ℎ (5)
Por lo tanto, se usan 2 baterías de 12 V a 4.7 Ah para la parte de potencia, y las fuentes
transforman los 12 voltios a 5v, y teniendo en cuenta que el motor se activa cuatro veces en
el día las horas de autonomía son superiores a las calculadas, por lo tanto se establece que
las baterías de 4.7 Ah dura 12 horas para el sistema.
3. 3 INTERFAZ GRAFICA.
3.3.1 Diseño de la interfaz PyQT Designer.
El desarrollo de la interfaz se decidió realizar en la herramienta Pyqt, la cual se asemeja
mucho a java por su diseño, pero que permite transformarla y utilizar como motor de la
interfaz Python, esta herramienta genera un archivo .ui el cual permite ser transformado en
lenguaje Python por medio del comando:
pyuic4 Archivo.ui -o Archivo.py
Es indispensable instalar el lenguaje Python y pyqt para que la interfaz funcione
satisfactoriamente, la razón porque se escogió Python para desarrollar la interfaz, fue la fácil
implementación con los protocolos de comunicación, la compatibilidad con todos los sistemas
operativos especialmente si se quiere utilizar un Rasberry y por su licenciamiento GNU que
permite desarrollos a muy bajo costos en él.
Las múltiples funciones que tiene la interfaz las dividimos en tres sub programas agrupados
por funciones específicas y manejo de los datos.
Imagen 6.Sub-programa Configuración
Imagen 8.Sub-programa Monitoreo
Imagen 9.Sub-programa Cultivo
3.3.2 Funciones Específicas.
Para el uso adecuada de todas las funciones de la interfaz de Python por medio de pyqt, es
necesario descargar una serie de librerías como por ejemplo para la comunicación serial, la
librería pyserial, también puesto que la base de datos se utilizó por medio del formato csv es
necesario llamarlo al inicio del programa puesto que ya viene incluida dentro del leguaje
Python, todo los archivos de Python se utilizaron por medio de un lanzador que iba llamado
la interfaz y por subprogramas llamábamos las funciones.
Sub-programa Configuración.
Este programa se encarga de enviar los parámetros de configuración de las
alarmas vía serial, y guardar en la base de datos un registro de las
características del cultivo como: Identificación del cultivo, etapa de desarrollo,
Metro cuadra sembrado y observaciones referentes a su trasporte o eventuales,
también cuenta con la configuración adecuada para determinar la cantidad de
alimento proporcionado al pez, estableciendo las cantidades exactas para
alimentarlo.
Sub-programa Monitoreo.
Este programa se encarga de recibir la información proveniente del
microcontrolador, específicamente de temperatura, oxígeno, alimento en tolva y
la cantidad de alimento proporcionado, también se encarga de visualizar estos
valores en dos LCDs y dos caja de texto, ubicadas en el lado izquierdo de la
interfaz, cuenta con una señal visual de color azul la cual cambia de tonalidad a
rojo cuando el oxígeno está por debajo de los 4.5 mg/l, en el costado derecho y
en la parte superior e inferior del costado izquierdo cuenta con una serie de
parámetros que se deben almacenar diariamente, los cuales son suministrados
por el cultivador a la hora de terminar su jornada, con el objetivo de llevar
registro del progreso y eventualidades que puedan tener el cultivo al trascurrir
su proceso, finalmente tiene un programa que almacena las variables de
temperatura y oxigeno cada minuto con el fin de ser analizadas posteriormente
como muestra la imagen 11, también con la configuración de la alerta de
oxigeno establece un aviso que permite enviar al sistema de control un bit de
activación, el cual podrá ser adaptado para encender una bomba de gasolina o
eléctrica con adaptación de potencia.
Imagen 11.Almacenamieto de datos
Sub-programa Cultivo.
Este programa se encarga de visualizar todas las entradas a la base de datos
tanto del oxígeno y temperatura, como de las diferentes configuraciones hechas
al inicio del proceso, también se encarga de servir de plataforma para visualizar
todos los datos que se viene provenientes del sub-programa monitoreo que se
realiza diariamente como: las observaciones, la cantidad de alimento
proporcionado, cantidad de peces muertos, cantidad de veces que se debió
prender el aireador y la identificación del cultivo.
Figura 7 Diagrama de flujo interfaz
4. RESULTADOS
En el artículo anterior se mostró el desarrollo de un sistema de alimentación de peces, el cual
se encarga de monitorear variables fundamentales para los cultivos acuícolas, como son
oxígeno y temperatura, mostrando en una base de datos estos valores que cambian a través
del tiempo, también puede ser programado para alimentar a las horas especificas en la cual
el cultivador determina a través de la base de datos, esta permite establecer el momento
justo en el cual la temperatura y el oxígeno están en su nivel óptimo, permitiendo controlar
tanto el alimento que se proporciona como el crecimiento del pez en función de las
necesidades de su cultivo, también el sistema cuenta con una alerta que mide la cantidad de
oxígeno en el agua enviando un bit de activación en el momento en el cual este se reduce a
niveles peligrosos para el cultivo, permitiendo así un sistema completo para el cultivo de
peces, este se muestra en las siguiente figuras.
Imagen 12 Sistema de monitoreo
5. CONCLUSIONES
De las pruebas y resultados conseguidos en el presente proyecto, se puede llegar a las
siguientes conclusiones:
El objetivo principal y los objetivos secundarios del proyecto fueron cumplidos a
cabalidad, proporcionando un sistema de alimentación automática para tilapia u otro
pez con características similares, y proporcionando un herramienta más para mitigar el
problema de tecnificación del cultivo en Colombia, puesto que al cumplir con el
objetivo de proporcionar esta toma de datos facilita la toma de decisiones a los
cultivadores que tengan el sistema.
Respecto a la medición de temperatura, en las pruebas se ha registrado una variación
máxima de la medida de ± 0,2 °C, lo cual indica que la toma de medidas de la variable
de temperatura presentadas en la interfaz del sistema, son las reales y no representan
un riesgo por su alta precisión.
De los resultados obtenidos en las pruebas de funcionamiento del sensor de oxígeno
disuelto (O.D.), se nota que los valores medidos se apegan de forma muy aceptable a
la realidad, tomando en cuenta que éstos se relacionan íntimamente con la
temperatura; es decir, que el oxígeno disuelto medido existente en el medio al estar
dentro de los valores aceptables.
Al trabajar en un proyecto multidisciplinario como este, es muy enriquecedor dar
solución a los múltiples problemas que no corresponden al campo de acción de los
estudiantes, pero representa un reto bastante grande para dar la solución más
adecuada por la falta de experticia y conocimiento en campos que no hacen parte del
conocimiento del estudiante.
Al momento de acoplar la interfaz con él envió de datos se detectaron dos problemas,
uno de ellos es que cuando se quería graficar la información al tiempo que llegaba, el
programa se ocupaba completamente y no dejaba utilizar correctamente las demás
funciones, el segundo problema sucedía cuando él envió de datos del serial era
superior a la espera que hacia el programa, puesto que bloqueaba en ocasiones el
programa o lo ralentizaba.
La utilización del PSoC 5 nos facilitó la comunicación al poder introducir la cantidad de
conexiones seriales e i2C que necesitáramos, además de tener la suficiente memoria
ram y rom, para ocupar todos estos bloques sin ver disminuida su velocidad de
procesamiento.
Al diseñar los programas separados del programa principal, presentaba dificultades al
acoplar los programas puesto que utilizaban witches incompatibles.
Python como interfaz gráfica para proyectos electrónicos, es muy buena opción por su
simplicidad, manejo y licenciamiento GNU.
6. MEJORAS FUTURAS
Como se pudo observar en el proceso de diseño y construcción del sistema, las mejoras que
podemos hacer a este son numerosas, puesto que puede enfocarse a otras especies u otros
cultivos que compartan las mismas características, el siguiente paso natural para que el
prototipo se convierta en una guía fundamental para los cultivadores, es que aplique
algoritmos que permitan hacer un control del oxígeno siquiera cercano al 70%, también que
la interfaz pueda analizar los datos obtenidos de los sensores y los cultivadores, y por medio
de las guías existentes de producción sugiera o haga ajustes en el tiempo de alimentación o
niveles de oxígeno buscando los parámetros de mejor producción.
7. Referencias
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