Diseño_de_sistema_de_riego_automatizado.docx

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA

TALLER DE INVESTIGACION E INSTRUMENTACION

REPORTE FINAL DOCENTE: ING. VICTOR MANUEL HERRERA AMBRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO PRESENTA:

JOVANI ALBERTO AVALOS HERRERA ERNESTO JOSE MA. ROJAS LUEVANO JUAN CARLOS DURAN MARTINEZ 1

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Resumen El agua es el elemento esencial para aprovechar el potencial de la tierra, su empleo y gestión constituyen un factor fundamental para elevar la productividad de la agricultura y asegurar una producción previsible. Al final del siglo XX, la agricultura ha empleado el 70% de toda el agua utilizada en el mundo y estima que el destinado a riego crecerá en 14% para el 2030. El 40% de agua destinada para riego se desperdicia por diferentes factores, entre ellas una mala gestión en el riego o el uso de sistemas de riego tradicionales. A causa del cambio climático, en algunos lugares, la escasez de agua es cada vez mayor limitando la capacidad de producción local de alimentos. Para enfrentar dicha escasez y mejorar la rentabilidad agrícola, es decir producir más con menos agua, se hace latente la necesidad del desarrollo de prácticas de gestión eficiente del agua. En este trabajo, se presenta el desarrollo de un sistema de riego utilizando una red de sensores tipo DHT11. El sistema está conformado por terminales que se encarga de medir las condiciones ambientales del suelo haciendo uso de sensores de humedad, temperatura y conductividad eléctrica, encargados de actuar sobre las válvulas de agua para el riego, de este modo, encaminar las comunicaciones desde y hacia un microcontrolador. Microcontrolador envía los datos del campo hacia un servidor de software que tiene el control predictivo que de acuerdo con los valores de las condiciones ambientales envía ordenes primero hacia un controlador que acciona la bomba principal y segundo hacia las válvulas de agua utilizando la red de comunicaciones.

2

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA INDICE

Portada ....................................................................................................................................................................1 Introducción ............................................................................................................................................................4 Objetivos generales y particulares ...................................................................................................................7 Metodología ............................................................................................................................................................7 Resultados ..............................................................................................................................................................8 Conclusiones ....................................................................................................................................................... 14 Perspectivas ........................................................................................................................................................ 14 Referencias .......................................................................................................................................................... 14

3

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA

Introducción El crecimiento de la población mundial está generando una serie de necesidades. Según el World Population Prospects (2015) de la Organización de Naciones Unidas (ONU) (United Nations, 2015), la población mundial en la actualidad es de aproximadamente 7.4 millones y se estima que para el año 2050, esta se incrementará hasta los 9.7 millones de personas. Este crecimiento genera una serie de necesidades, principalmente mayor producción de alimentos y de forma sostenible. Una mejora en la producción de alimentos implica mejorar la productividad de los cultivos, aumento de los campos de cultivo y por ende un mayor consumo de agua. El agua es el elemento esencial para aprovechar el potencial de la tierra; en el mundo, su empleo y gestión es un factor fundamental para elevar la productividad de la agricultura y asegurar una producción previsible. Según la Organización de Naciones Unidas para la Alimentación y Agricultura, al final del siglo XX, la agricultura ha empleado el 70% de toda el agua utilizada en el mundo y estima que la destinada a riego crecerá en 14% para el 2030. En el Perú, estas cifras son aún mayores, se utiliza el 80% del agua en agricultura y se estima que para el 2030 el consumo de esta en la agricultura crecerá en 14% (Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2013). Se calcula que el 40% de agua destinada a riego se desperdicia por diferentes factores; entre ellas, una mala gestión en el riego o el uso de sistemas de riego tradicionales. A causa del cambio climático, en algunos lugares, la escasez de agua es cada vez mayor, limitando la capacidad de producción local de alimentos. Para enfrentar dicha escasez y mejorar la rentabilidad agrícola; es decir, producir más con menos agua, se hace latente la necesidad del desarrollo de prácticas de gestión eficiente del agua. El riego es la aplicación controlada de agua en áreas de cultivo por medio de sistemas artificiales que abastecen las necesidades de agua de los cultivos. Existen varios métodos de riego que se utilizan de formas diferentes en todo el mundo. Entre los más utilizados se pueden mencionar: el de pivote central, que es un riego por aspersión automatizado por rotación de una pluma de rociadores; el riego por goteo, que es un sistema planificado en que 4

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA se aplica el agua directamente a la zona de raíces de las plantas por medio de goteros operados a baja presión; el de inundación, donde la aplicación de agua de riego en la superficie de la tierra se realiza dejando que esta se estanque; el riego por surco, método de inundación de superficie parcial de riego, donde se aplica agua en los surcos o filas del área de cultivo. Otros métodos utilizados son los de gravedad y rotación. Se puede encontrar una amplia descripción de diferentes métodos de riego, procedimientos de diseño, aplicación en diferentes cultivos; además de ventajas y desventajas de cada uno de ellos. La gestión del riego se puede realizar mediante tres enfoques diferentes: por aproximación agro-meteorológica, según el comportamiento de las plantas y, de acuerdo con las condiciones ambientales del suelo. En el primer enfoque, la evaporación de la superficie de la planta se equipara a la evaporación de un cuerpo de agua sumando los ajustes apropiados, la evaporación a partir de un cuerpo de agua se ve afectada principalmente por un balance de energía y las condiciones del viento. El ajuste tiene en cuenta un coeficiente empírico de la planta (A, dado que la superficie de la hoja no es un cuerpo abierto y el área sobre el suelo que cubre la planta cambia durante el desarrollo del cultivo, el área de cobertura del suelo (áreas muy difícil de medir y por lo general solo se estima mediante aproximaciones). Cada día en más regiones del mundo el agua se convierte en un recurso escaso y costoso, por lo que en la agricultura el mayor consumidor de agua se deben tomar medidas para hacer un uso más eficiente del agua. Generalmente en la agricultura se tienen altos consumos de agua causados por la sobre irrigación, lo cual no sólo genera un desperdicio de agua, sino que también, debido a los agroquímicos disueltos, provoca la contaminación de corrientes de agua superficiales y subterráneas y en algunas zonas el ensalitramiento de los suelos. Un conocimiento de las necesidades de agua de los cultivos no sólo permite un mejor desarrollo para lograr una mayor producción y mejor calidad de las cosechas sino que contribuye también a ahorrar considerables volúmenes de agua. A través del tiempo se han desarrollado una gran cantidad de sistemas para la determinación, control y automatización del riego que permiten un consumo de agua más reducido. Bralts et al desarrollaron un programa de 5

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA cómputo para el manejo del riego, los datos de entrada se programaron en un datalogger, el programa incluye estados del sistema, secciones de riego, control de encendido y apagado de dispositivos. En el mismo sentido Wessels. Desarrollaron un sistema automático para el riego con agua salina, controlado por computadora, donde datos meteorológicos y de lluvia se almacenan para calcular la evapotranspiración, control del nivel de salinidad del agua de riego, registró de datos climáticos y gasto hidráulico de la unidad de riego, programación de los riegos y el accionamiento de las bombas dosificadoras, además facilitó la comunicación con el sistema vía modem con otras computadoras. Xin et al 2015. Desarrollaron un prototipo de sistema experto

para el manejo del riego en tiempo real,

protección de heladas y control de la fertilización en cítricos; usaron como datos de entrada información del contenido de humedad en el suelo y del clima de una estación meteorológica automatizada. El sistema controló de manera automática el encendido y apagado de bombas de acuerdo a criterios preestablecidos, así como la aplicación de la fertilización de manera simultánea o separada con el riego. Con esta tendencia, se desarrolla un programa de cómputo para la automatización de un sistema de riego localizado, el programa utiliza dos estrategias para determinar el momento de riego, Por su parte, desarrollo un sistema automatizado para el manejo del riego en tiempo real, se utilizaron varios algoritmos para procesar la información meteorológica, suelo, cultivo y diferentes estrategias para determinar el riego, un datalogger (CR10X) a través de sus canales de control activa el sistema de distribución del agua, hasta que se cubren los requerimientos del cultivo. Sin embargo, hasta ahora ninguno de estos sistemas, se encuentran en la práctica con una aceptación considerable, las razones principalmente se deben a la alta demanda de tiempo, trabajo y capacitación para operar y alimentar de datos e información estos sistemas Por lo que, resulta necesario continuar en este campo para desarrollar sistemas de riego automatizado que aprovechen nuevas tecnologías. La presente investigación se efectuó con el objetivo de desarrollar un sistema de riego automatizado en tiempo real para determinar, controlar el momento oportuno y la cantidad de riego, monitoreado por medio de las tecnologías de información (TI). 6

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Objetivos generales y particulares Objetivo general: Diseñar y generar un sistema de riego automatizado manipulado por sensores de humedad con control artificial para el riego de cultivo. Objetivos específicos: •

Diseñar un sistema de riego automatizado empleando sensores de humedad.

•

Evaluar el prototipo diseñado en cuanto a funcionamiento, optimización de recursos.

Metodología Se realizaron búsquedas de antecedentes en varias páginas de internet para saber exactamente el funcionamiento correcto del sistema de riego en el sector agrícola, así como también se buscó información sobre los componentes que se utilizan para la realización de la automatización de riego, como tenemos la placa principal de los que es el Arduino un microcontrolador importante que nos ayuda a manipular todo el sistema, de ahí viene el sensor de humedad que es el DHT11 el cual cerrara el circuito una vez que este a una humedad específica, y el factor más importante el agua porque sin agua no se cumplirían los aspectos a realizar. Evaluación del sistema de base o consumo eléctrico, costos y rentabilidad: Se realizó una evaluación del consumo eléctrico así como rentabilidad de los componentes que se utilizan en el sistema de riego y así poder ver si es eficiente hechos a los productores del campo agrícola. Diseño del prototipo de sistemas de riego automatizado: Se realizó el diseño en el software cocodrile versión 3.5 en el cual realizamos las conexiones de cada cable que van conectados a la placa Arduino para que le mande las señales de su funcionalidad, así como también se realizó la programación en el software Arduino para controlar o estar monitoreando su funcionamiento desde la computadora.

7

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Resultados En la búsqueda de antecedentes para los componentes y funcionalidad para este prototipo es necesario conocer sobre el tema a fondo y sobre los componentes que se van a utilizar para ello se investigaron muchas fuentes de información para conocer los componentes más factibles y funcionales para el sistema de riego automatizado, también se tomó en cuenta la ecuación de potencial de humedad en el suelo para determinar los litros que se van a utilizar en un tiempo determinado. El potencial de agua en el suelo (SWP) se calculó con la ecuación (6) (Oregon State University, 2005). Se obtuvo el SWP, en cada sector se plantea un divisor de tensión con una resistencia auxiliar de valor comparable a la del sensor de humedad, que actúa como una resistencia variable, alimentado con 5V generado con la tarjeta Arduino.

El valor calculado esta en CB (centibar) esta medida se asocia de manera porcentual con la falta de humedad en el suelo. Dependiendo del tipo de planta se toma como base aquellas que requieran en “L” litros de agua al día y que se riegan en “S” segundos; se calcula la cantidad de agua y el tiempo de riego para cada planta según las ecuaciones (7) y (8) respectivamente.

8

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Sensor de humedad DHT11 Los DHT11 y DHT22 se componen de un sensor capacitivo para medir la humedad y de un termistor. La principal diferencia entre ambos es que el ciclo de operación es menor en el DHT11 que en el DHT22, sin embargo, el DHT22 tiene rangos

de

medida

más

amplios

y

mayor

resolución, a cambio de resultar algo más caro. Ambos sensores están calibrados en laboratorio y tienen una buena fiabilidad. El sensor suelto, con un encapsulado azul y cuatro pines disponibles para conectar. Arduino uno La potencia de desarrollo de Arduino podemos explicar en 3 características fundamentales: El hardware

de Arduino

puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino (de la marca atmel) se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Una vez descargados en las placas Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un ordenador, si bien tienen la posibilidad de hacerlo y comunicar con diferentes tipos de software. Las librerías de Arduino: Cuya potencia permite desarrollo de múltiples aplicaciones de manera simple y rápida. Las librerías son las que hacen todo el trabajo ardu, que es el trabajo de aquellos que nacimos en la era de microcontroladores, y están pensando para la simbología de las diferentes placas de Arduino.

9

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Los shields de Arduino que simplifica aún más la tarea del desarrollo de las aplicaciones puesto que existe un shield (módulo de hardware especial) a la medida de las aplicaciones. Estos shields prevén la adaptabilidad de señales para acondicionamiento de los sensores, drivers de corriente, regulación de alimentación, y sobre todo la funcionalidad para lo que fue construido Bomba succionadora de agua Una bomba de agua es una máquina hidráulica que permite incrementar la energía cinética de un caudal de agua. Las bombas hidráulicas son elementos ampliamente conocidos y empleados en la industria desde antaño, y constituyen toda una rama de la técnica. Existe una gran variedad de bombas, que abarcan un amplio rango de potencias y características hidráulicas. Independientemente de sus características o potencia, siempre podemos controlar un equipo de bombeo mediante un procesador, siendo de hecho frecuente que estén controlados por un autómata. Arduino, por supuesto, no es una excepción, y podemos encender cualquier tipo de bomba de agua mediante las salidas digitales y el uso de un MOSFET o una salida por relé. Las bombas hidráulicas son componentes fundamentales en instalaciones e infraestructuras, en sistemas de abastecimiento y depuración de agua y sistemas de climatización. Industrialmente, forman parte de un sin fin de equipamientos e impulsan todo tipo de fluidos.

10

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Motor a pasos Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator. Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor. Como el voltaje de alimentación del estator es periódico, entonces el movimiento del rotor (rotación) sigue esta variación periódica del voltaje de alimentación y como consecuencia la velocidad de rotación es constante. Asíncronos: Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Síncronos: Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante. De la información anterior se realizó la recopilación de información sobre cada componente para el sistema de riego, de esto obtuvimos un diseño de lo que se realizara para el sistema de riego automatizado, acorde a la información obtenida se realizó el diseño de los dispositivos electrónicos mostrados en la imagen 1 tomando en cuenta el funcionamiento de cada uno de ellos y el control de manipulación.

11

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA

Imagen 1. Diseño de un sistema de riego Este proyecto se implementó para generar una mejor calidad de cultivos en menor tiempo ahorrando agua, energía y lo más importante trabajo y dinero para hacer crecer la planta más rápido en menor tiempo y facilitar la vida diaria del trabajador, obteniendo una información favorable de los componentes. Teniendo el diseño del sistema de riego automatizado se explicara para que sirva cada componente que conforma este diseño: 1. Este componente es mayormente conocido como la placa Arduino, la cual controlara a los demás componentes por medio de programación de mando. 2. El principal componente importante para este sistema de riego es el sensor DHT11 el cual detectara la humedad relativa del subsuelo y suspenderá el circuito para ahorrar agua y energía. 3. Este componente lo conforma la bomba succionadora de agua que absorberá de algún depósito que va a ser controlada por medio de la placa de Arduino y el sensor de humedad. 4. Motor a pasos, su funcionamiento será posicionarse en el lugar que no se ha regado y que no está húmedo para alimentar a la planta.

12

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Teniendo el diseño se realizaran pruebas del funcionamiento para obtener buenos resultados y concluyendo que sea eficaz y eficiente el sistema de riego para los trabajadores agrícolas. Por lo tanto tenemos algunos resultados reales del diseño del sistema de riego para ver su funcionamiento y las condiciones de los resultados deseados que nos aloja, teniendo los componentes a utilizar, vemos en las imágenes 2, 3, 4, 5 y 6 los componentes funcionando, el motor de corriente directa del riel que mueve la guía de agua se muestra en la imagen 2, la bomba de agua de corriente alterna manda la presión al campo de riego, esta bomba esta se acciona

con un relevador controlado por Arduino, también vemos el sensor DHT11 que

manda los resultados a la LCD de la humedad detectada.

Imagen 2, 3, 4, 5 y 6

13

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA

Conclusiones Se realizó el diseño de los dispositivos electrónicos más favorables para su implementación además de contemplar la rentabilidad de cada dispositivo electrónico en espera de que resulte eficaz y eficiente para el trabajador agrícola. Se obtuvo la reducción del gasto de agua esto debido que el sistema de riego arroja solamente la cantidad de agua que la planta necesite para poder vivir y desarrollarse a la perfección, sin tener desperdicio de agua al regar los cultivos. En base

a los resultados obtenidos al término del proyecto podemos concluir que la

automatización puede llegar a revolucionar el cultivo ya que por medio de esta podemos optimizar los ciclos de riego así como controlar variables de temperatura, humedad ya que por lo regular afectan el crecimiento de los cultivos agrícolas. Perspectivas Se realizaran pruebas del sistema del riego automatizado en el campo agrícola para ver su funcionamiento si es adecuado. Se pretende que el sistema de riego automatizado se eficaz para los cultivos agrícolas para la obtención de alimentos en menor tiempo y con mayor cantidad de lo normal. Se implementará una aplicación del sistema de riego para que sea más fácil controlarlo desde un celular para que sea más eficaz a la hora de regar los cultivos. Referencias Martiniano castro popocha. (2008). sistema de riego automatizado en tiempo real con balance hídrico, medición de humedad del suelo y lisímetro. Estado de México; Jorge Tamayo-Bedregal. (2007). Sistema de riego por goteo automático utilizando una red de sensores inalámbricos. Estado de México: Santa Gabriela S.A.C.. World Population Prospects (2015) de la Organización de Naciones Unidas (ONU) (United Nations, 2015). 14

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2013. (Oregon State University, 2005). Castro Popoca, M., Águila Marín, F. M., Quevedo Nolasco, A., Kleisinger, S., Tijerina Chávez, L., & Mejía Sáenz, E. (2008). Sistema de riego automatizado en tiempo real con balance hídrico, medición de humedad del suelo y lisímetro. Agricultura técnica en México, 34(4), 459470. Arenas, M. C., Vélez, J. E., & Camacho-Tamayo, J. H. (2013). Crecimiento del fruto de peral bajo el sistema de riego por goteo con una y dos líneas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas, 6(2), 140-151. Capraro, F., Tosetti, S., & Serman, F. V. (2010). Laboratorio Virtual y Remoto para Simular, Monitorizar y Controlar un Sistema de Riego por Goteo en Olivos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 73-84. Schugurensky, C., & Capraro, F. (2008). Control automático de riego agrícola con sensores capacitivos de humedad de suelo. Aplicaciones en vid y olivo. In Actas de XVIII Congreso de la Asociación Chilena de Control Automático (ACCA). Santiago, Chile. Gratacos, E., & Gurovich, L. (2003). Uso de la técnica del fitomonitor como indicador del estado hídrico del kiwui y su uso en riego programado. Ciencia e Investigación Agraria, 30(2), 113-137.

15