INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO.

“CONTROL Y MONITOREO DE TEMPERATURA, HUMEDAD RELATIVA, LUMINOSIDAD Y RIEGO EN EL INVERNADERO PARA MANTENER LA

SUPERVIVENCIA DE LA BACTERIA HUANGLONBING”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

MARTÍNEZ MENDOZA MAURICIO

RIVERA HERNÁNDEZ ÁNGEL

ASESORES:

ING. DANIEL CRUZ CLEOFÁS

DR. ABRAHAM RODRÍGUEZ MOTA

AGRADECIMIENTOS

A mis padres Ángela y Ramón

A mi hermano José Ramón A toda mi familia y amigos.

Le doy gracias a Dios por compartir conmigo gratas y amargas experiencias, y por permitir culminar una gran etapa de mi vida y porque sé que siempre vas a estar conmigo. Mamá…Papá…yo no sé decir bonitas palabras, ni a la mejor palabras adecuadas para este momento, pero lo que digo es muy sincero, les agradezco todo su esfuerzo y esmero que dieron por mi desde que inicie mis estudios en El Porvenir hasta este último grado; gracias por dejarme ser, buscar, expresarme y elegir la profesión que yo quería. A mi hermano le agradezco sus juegos, las sonrisas, las peleas porque sé que trata de seguir mis caminos y siempre lo apoyare como me han apoyado a mí. A mi familia Salustiano, Concepción, Oliva, Teresa, Esmeralda, Martha, Norma, a toda mi familia les agradezco todo su apoyo incondicional y también a mi tía Reyes que se está siempre a nuestro lado. Amigos…en especial a Azael y Martín, como les agradezco su amistad de hace más de 10 años, se que nuestros caminos se unieron para llegar hacer algo especial, ustedes me escuchan y saben que decirme cuando lo necesito y sé que siempre van a estar ahí cuando los necesite, gracias. Alina te agradezco por haber compartido este camino, por apoyarme, escucharme, cuidarme, por amarme cuando más lo necesitaba, sé que te costó mucho esta situación y esperabas mas pero te doy gracias porque seguiste a mi lado a pesar de todo. Al todo el profesorado del Instituto Politécnico Nacional y a mis asesores Dr. Abraham y M. Daniel Cleofás por darme la mejor formación profesional y su atención, gracias.

ANGEL RIVERA HERNANDEZ

AGRADECIMIENTOS

A mi mama Abelina A mi hermana Karina

A mi tía Luisa A mis sobrinos, familia y amigos

Me gustaría agradecer a mi mama que ha sido la que me aguantado tanto tiempo y me ha

dado todo el apoyo que se puedan imaginar durante estos casi 4 años y medio de carrera, así como en toda mi vida. En verdad este título es casi tuyo como mío.

A mi hermana le agradezco las alegrías, las peleas, los momentos q pasamos juntos, hemos tomado caminos diferentes y espero poder ayudarte en lo que pueda. A mis sobrinos q cambiaron mi vida cuando nacieron, me han dado una alegría indescriptible y espero apoyarlos en todo cuanto esté a mi alcance o incluso más allá. A mi tía Luisa q siempre me ha apoyado al igual que mi mama casi podría decir que es como una segunda mama para mi, mil gracias. A mi familia tíos, tías, a toda mi familia les agradezco todo su apoyo incondicional. La familia siempre está contigo en las buenas y en las malas, muchas gracias A mi querida escuela el Instituto Politécnico Nacional, profesores y sobre todo a mis asesores Dr. Abraham Rodríguez y M. en C. Daniel Cruz Cleofás por ayudarnos a que fuera posible este logro.

MAURICIO MARTINEZ MENDOZA

ÍNDICE.

OBJETIVOS…………………………………………………………………………………………….. I RESUMEN…..………………………………………………………………………………... II GLOSARIO…………………………………………………………………………………… III

Capitulo 1 1.1 Introducción…………………………………………………………………………. 1 1.2 Alcance……………………………………………………………………………….. 2 1.3 Justificación…………………………………………………………………………. 3

Capitulo 2 HUANGLONGBING (HBL) 2.1 Antecedentes………………………………………………………………………... 4 2.2 Sintomatología…………………………………………………………………….... 5 2.3 Vectores de transmisión…………………………………………………………. 6

Capitulo 3 INVERNADERO 3.1 Antecedentes………………………………………………………………………... 9 3.2 Descripción de la planta de investigación……………………………………. 10 3.3 Modelo matemático del invernadero……………………………………………. 13

3.3.1 Controlabilidad 14 3.3.2 Observabilidad 15 3.3.3 Función de transferencia 15 3.3.4 Modelación en Simulink MatLab 16

Capitulo 4 VARIBLES DEL INVERNADERO 4.1 Temperatura………………………………………………………………………… 17 4.2 Humedad relativa………………………………………………………………….. 19 4.3 Iluminación artificial………………………………………………………………. 19 4.3.1 Iluminación fotoperiodica…………………………………………………. 20 4.3.2 Iluminación suplementaria………………………………………………… 20 4.4 Sensores…………………………………………………………………………….. 4.4.1 Sensores de temperatura………………………………………………….. 21

4.4.1.1 Termopar 21 4.4.1.2 RTD 22 4.4.1.3 Termistor 23

4.4.1.3.1 Tipos de Termistor 23 4.4.1.4 Circuito integrado 24

4.4.2 Sensores de humedad……………………………………………………… 25 4.4.2.1Sensor Capacitivo 25 4.4.2.2 Sensor resistivo 25 4.4.2.3 Sensor por conductividad 26

4.5 Tipos de lámparas para invernadero………………………………………….. 27 4.6 Selección de sensores…………………………………………………………… 29

Capitulo 5 RIEGO 5.1 Sistemas de riego…………………………………………………………………. 5.1.1 Riego por surcos……………………………………………………………. 31 5.1.2 Riego mediante sistemas de presión…………………………………… 33 5.1.3 Nebulización………………………………………………………………… 34 5.1.4 Sistemas de riego localizados…………………………………………… 35 5.2 Sistemas de riego localizado…………………………………………………… 5.2.1 Componentes de un sistema de riego localizado……………………. 36 5.3 Tipos de riego localizados………………………………………………………. 5.3.1 Riego por goteo…………………………………………………………….. 37 5.3.2 Riego por tuberías emisoras…………………………………………….. 38 5.3.3 Riego por microasperción y microdifución……………………………. 39 5.3.4 Obstrucciones en los emisores de riego localizado………………… 39

ÍNDICE.

5.4 Elementos de filtrado…………………………………………………………… 5.4.1 Prefiltrado…………………………………………………………………….. 41 5.4.2 Filtrado………………………………………………………………………... 41

Capitulo 6 LABVIEW 6.1 Programa labview………………………………………………………………….. 45 6.1.1 Panel frontal y diagrama a bloques…………………………………….. 45 6.1.2 Tipos de datos en labview……………………………………………….. 47 6.2 Instrumentación virtual…………………………………………………………… 48 6.3 Usando The call library mode para llamar DLLS…………………………….. 49 6.4 Internet con labview………………………………………………………………. 49 6.4.1 Protocolos TCP/IP………………………………………………………….. 50 6.4.2 Dirección IP………………………………………………………………….. 50 6.4.3 Protocolo UDP……………………………………………………………….. 50 6.5 Data socket………………………………………………………………………… 51 6.6 Publicación en web………………………………………………………………... 52 6.6.1 Web publishing tool: web server………………………………………… 53 6.6.2 VI server………………………………………………………………………. 54

Capitulo 7 HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS 7.1 Comunicación USB entre labview y un microcontrolador…………………. 56 7.2 Sistemas de adquision de datos………………………………………………... 57 7.2.1 Diseño del hardware de adquisición de datos………………………… 58 7.2.2 Microcontrolador PIC 18F4550…………………………………………… 59 7.2.3 USB-Universal Serial Bus..………………………………………………. 72 7.3 Enlace de labview al pic para el control y monitoreo………………………. 78 7.4 MIgracion de RS-232 a RS-485………………………………………………….. 85 7.4.1 Ventajas de RS-485…………………………………………………………. 85

7.4.2 Caracteristicas de RS-485………………………………………………… 85 7.4.3 Bus de 4 Hilos RS-485……………………………………………………… 86 7.4.4 Comunicación RS-485 en modo Full Duplex…………………………… 86 7.4.5 Circuito SN75176……………………………………………………………. 87 7.4.6 Convertidor RS-232 a RS-485…………………………………………….. 88

RESULTADOS…………………………………………………………………. 90 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………. 99 ANEXOS……………………………………………………………………………………… 102 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………. 121

OBJETIVOS.

[I]

OBJETIVO GENERAL

Diseño de un sistema de control y monitoreo de temperatura y humedad relativa, en un invernadero tipo holandés, mediante la automatización de los sistemas de riego localizado (riego por goteo), iluminación y ventilación, con el fin de permitir la reproducción de la bacteria Huanglongbing (HBL).

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Reproducir dentro del ambiente aislado de un invernadero tipo holandés las condiciones idóneas de temperatura, humedad, riego, iluminación y ventilación necesarios. Para la reproducción controlada de la bacteria HLB por tiempos prolongados.

Diseñar y construir los sistemas de censado de temperatura y humedad relativa.

Diseñar e implementar el equipo de Adquisición de Datos utilizando un microcontrolador PIC 18f4550 de gama alta.

Implementar y automatizar un sistema de riego localizado (por goteo), para el control de la humedad dentro del sistema de invernadero.

Programar los algoritmos de control, para el monitoreo de la temperatura, humedad relativa, riego, iluminación y ventilación empleando la plataforma de desarrollo LabView.

Integrar los recursos de software y hardware desarrollados para la automatización del sistema.

RESUMEN.

[II]

El objetivo del presente proyecto es el diseño y elaboración de un sistema de control para recrear las condiciones ambientales que favorezcan la reproducción de la bacteria HLB dentro de un invernadero. En el sistema se monitorea y ajusta los parámetros de control en tiempo real y se almacena la información obtenida en una base de datos permitiendo la generación de reportes e históricos. Adicionalmente, el sistema incluye la funcionalidad de generación de alarmas.

La solución desarrollada presenta una alternativa para la integración de las funcionalidades de representación gráfica de la plataforma de desarrollo LabView, con equipos de hardware no pertenecientes a la marca National Instrument (NI). De tal manera que, una particularidad del sistema propuesto es el ahorro económico logrado mediante el uso de un equipo de adquisición de datos de bajo costo desarrollado para las necesidades particulares del sistema analizado.

De esta forma, la aplicación creada con la plataforma LabView y el equipo de adquisición de datos desarrollado, colaboran para supervisar en tiempo real las variables del proceso (temperatura y humedad) y controlar los dispositivos actuadores (extractor, bomba y lámpara). Brindando a los usuarios una gran versatilidad y flexibilidad para la operación y supervisión del sistema.

Adicionalmente, se incluye en este proyecto la descripción de la implementación y automatización de un sistema de iluminación y un sistema de riego por goteo. Estos sistemas fueron implementados para recrear las condiciones ambientales adecuadas para la reproducción de la bacteria HBL. Con base en las necesidades de estudio e investigación expuestas por el usuario final del sistema, en este caso el personal de Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA), dependencia de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA).

GLOSARIO.

[III]

Rutácea: Familia de plantas dicotiledóneas, del orden terebintales; árboles, arbustos o hierbas, casi todos glandulosos, de hojas alternas u opuestas, flores generalmente actinomorfas y fruto muy variado.

Hemolinfa: Al líquido circulatorio de los artrópodos, moluscos, etc. análogo a la sangre de los vertebrados.

Psílidos: Son una familia de insectos hemípteros del suborden Sternorrhyncha con las siguientes subfamilias; Acizziinae , Anomoneurinae, Arytaininae, Diaphorininae, Paurocephalinae, Psyllinae, Rhinocolinae y Spondyliaspidinae.

Cepa: Es una variante genotípica de una especie o, incluso, de un taxón inferior, usualmente propagada colonialmente, debido al interés en la conservación de sus cualidades definitorias

Yema: Es un órgano complejo de los vegetales que se forma habitualmente en la axila de las hojas formado por un meristemo apical, (células con capacidad de división), a modo de botón escamoso (catafilos) que darán lugar a hojas (floríferas) y flores (floríferas).

Inoculo: Material usado para iniciar un cultivo microbiano.

Latencia: Condición de las semillas de los vegetales que permanecen en un estado de reposo fisiológico transitorio, conlleva una disminución notable de la actividad metabólica.

CAPITULO 1.

[1]

1.1 INTRODUCCIÓN

Este trabajo presenta el diseño e implementación de un sistema de control de las variables de temperatura, humedad relativa y luminosidad para la recreación de un ambiente propicio para el estudio de la bacteria HLB dentro de un invernadero tipo holandés. La motivación principal de este proyecto es brindar una alternativa para la obtención de ambientes artificiales de laboratorio adecuados para el cultivo de la bacteria HBL, ya que hasta el momento estas condiciones no se ha logrado de manera eficiente dentro del instituto de investigación para quien se realiza este proyecto, debido principalmente a limitaciones financieras. En este contexto, la conclusión del proyecto requirió, para la automatización del proceso la implementación de los sistemas de riego, iluminación y ventilación. Con esta acción se busca la modernización de los equipos existentes en Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA), ya que las instalaciones analizadas presentaban varias limitaciones en su infraestructura, complicando su adecuado manejo y la realización de estudios para el control del patógeno de la bacteria HBL. En síntesis, el sistema propuesto cuenta con dispositivos que permiten el sensado de las variables (temperatura, humedad e iluminación) y brinda la capacidad de graficar el comportamiento en tiempo real de las variables controladas, con base en las funcionalidades de desarrollo proporcionadas por la plataforma de desarrollo Labview. Adicionalmente, el diseño logrado presenta varias ventajas gracias a que los dispositivos seleccionados se caracterizan por brindar mediciones precisas, presentar una respuesta lineal, tener buena resolución, emplear un voltaje de alimentación relativamente bajo y ser de bajo costo, lo que contribuye no solo a reducir los costos ya que la cantidad de circuitos acondicionadores de señal se decrementa, obteniendo un menor error en las mediciones requeridas.

CAPITULO 1.

[2]

1.2 ALCANCE

Como objetivo primordial, el sistema de control y monitoreo propuesto será utilizado por el usuario final para llevar a cabo un análisis comparativo entre los resultados obtenidos en el cultivo de la bacteria HBL, bajo las condiciones previas de operación y aquellos productos de las nuevas circunstancias asociadas a la automatización del sistema. Dicha investigación se realizará con el objetivo de incrementar el conocimiento sobre el ciclo de vida de la bacteria, mediante la experimentación a través de la fluctuación controlada de las variables ambientales, permitiendo a los operadores el cambio de ajuste a voluntad de las condiciones del microclima del invernadero. En términos de operación y funcionalidad se logró la implementación de un sistema de control diseñado en la plataforma LabView capaz de monitorear las condiciones internas del invernadero. Proporcionando, además la capacidad de transportar el valor de dichas variables, utilizando el protocolo de comunicación TCP/IP, para su monitoreo desde cualquier terminal conectada al internet, contribuyendo a la actualización y modernización del invernadero. Se concluye así que estas características hacen del sistema logrado una opción flexible y adaptable a múltiples condiciones de trabajo. De hecho, en caso de no contarse con la infraestructura adecuada para la instalación de la plataforma LabView, el sistema tiene la capacidad de trabajar de forma independiente llevando un control automático de la humedad relativa, la temperatura, la intensidad lumínica y así como, efectuar el riego y la ventilación de madera programada sin necesidad de contar con una interfaz grafica.

CAPITULO 1.

[3]

1.3 JUSTIFICACIÓN

La baja tecnificación y falta de actualización en las instalaciones de los laboratorios del Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA), han imposibilitado la reproducción de ambientes óptimos para la reproducción de la bacteria Huanglongbing (HBL), imposibilitando el estudio de nuevas técnicas para el combate de este patógeno. Esta bacteria representa una de las primeras causas de pérdidas de cosechas de productos cítricos a lo largo del país. Por tal motivo, se ha propuesto dotar de una infraestructura soportada en tecnologías de control automatizando a dicha dependencia para incrementar las posibilidades de estudio del ciclo de vida de la bacteria HBL. De esta manera se ha logrado crear, dentro de un invernadero tipo holandés, un ambiente controlado de forma automatizada que establece una barrera entre el medio ambiente externo y el ambiente donde se desarrolla la bacteria. Esta barrera encierra un microclima que permite la reproducción de la bacteria HBL, facilitando el estudio e investigación de nuevas técnicas o productos, como los fertilizantes para combatir a la bacteria. Adicionalmente, la implementación del sistema propuesto conllevara a un ahorro en los costos del equipo de hardware necesario en las instalaciones antes mencionadas, bebido a que las soluciones comerciales existentes son sumamente costosas en comparación con el desarrollo presentado. Es decir, se ha logrado un sistema cuyas principales ventajas son:

1. Generar un clima controlado idóneo para la reproducción de la batería HBL. 2. Permitir la reproducción de la bacteria HBL en cualquier temporada. 3. Obtención de cultivos cítricos sin infección. 4. Incremento en el control fitosanitario. 5. Uso más eficiente de agua. 6. Ahorro en mano de obra y energía.

CAPITULO 2.

[4]

HUANGLONGBING (HBL).

2.1 ANTECEDENTES.

El “Huanglongbing” (HLB) que en mandarín significa enfermedad del dragón amarillo, ya que hace referencia a la presencia de ramillas amarillentas que presentan las plantas enfermas, es una de las enfermedades más devastadoras que afectan a la citricultura mundial [1]. Esta enfermedad fue detectada por primera vez en Asia (China), a finales del siglo XIX, posteriormente se reportó en África del Sur a principios del siglo XX y a través de los años se esparció hacia varios países de ambos continentes (Asia y África) [1]. En la actualidad se reconocen tres variantes de esta enfermedad (asiática, africana y americana). No ha sido posible reproducir el patógeno en cultivos artificiales (invernaderos) [1].

Este organismo se restringe al floema de las Rutáceas, aunque tiene la capacidad de multiplicarse en la hemolinfa y las glándulas salivares de los Psílidos vectores. Dentro de estos insectos, cruza la pared intestinal hasta llegar a las glándulas salivares, vía hemolinfa, tomándole de 1 a 3 semanas según la virulencia de la cepa [1].

Esta bacteria representa un alto riesgo para los agricultores mexicanos, ya que México es considerado el cuarto productor de cítricos en el mundo; cuenta con 512 mil hectáreas establecidas con este cultivo, distribuidas en 23 Estados del territorio nacional (Dirección General de Fomento a la Agricultura, 2007), por este motivo dada la peligrosidad de esta bacteria, en México el departamento de Fitopatología del Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA), estableció el Protocolo de actuación para la detección del Huanglongbing (PAD-DPF-HLB), debido a que la HLB ha sido detectada en dos grandes zonas del territorio nacional, en la Península de Yucatán (Campeche, Quintana Roo y Yucatán), y en la vertiente del Pacífico (Jalisco y Nayarit), por lo cual, a partir del año 2010 los 23 estados citrícolas del país, como lo ilustra en la figura, son considerados de alto riesgo [2].

Figura 2.1. Zonas de riesgo por HLB. [2]

CAPITULO 2.

[5]

2.2 SINTOMATOLOGÍA.

Los síntomas observados en las plantas infectadas con la bacteria HBL varían con las variedades y la edad de la planta afectada, pudiéndose observar claramente en árboles jóvenes y vigorosos.

Una planta infectada presenta síntomas parecidos a las deficiencias de minerales como zinc, hierro, calcio, magnesio y manganeso [3]. Presentan manchas circulares o angulares de color amarillo, llegando a tornarse totalmente amarillas con manchas verdes, ver figura.

Figura 2.2. Síntomas de planta infectada con la bacteria HBL. [2]

Adicionalmente durante la infección se muestran fuertes floraciones con un pobre cuajado de frutos [3], existe caída prematura de estos y los que se mantienen en el árbol son pequeños y asimétricos tomando la coloración correcta únicamente la parte del fruto expuesta al sol, mientras que el resto del fruto toma una coloración verde-olivo intenso, ver Figura.

Figura 2.3. Fruto infectado con la bacteria HBL. [2]

Los frutos que llegan a sobrevivir poseen una baja cantidad de jugo, además de poca concentración de sólidos solubles y azúcares, por lo que son muy ácidos y no pueden utilizarse en la industria (sabor amargo-salado desagradable), ver Figura. [3].

Figura 2.3. Frutos deformes y con sabor amargo. [2]

CAPITULO 2.

[6]

En cuanto a las semillas, estas presentan un tamaño pequeño, semidesarrolladas y atrofiadas (muy pocas logran buen desarrollo) [3], con una coloración obscura y dispareja, a menudo con manchas, ver Figura. El sistema radicular se encuentra poco desarrollado y con poca cantidad de pelos absorbentes.

Figura 2.4. Semillas atrofiadas por la bacteria HBL. [3]

2.3 VECTORES DE TRANSMISIÓN.

La transmisión del HLB la realizan los insectos vectores: Diaphorina citri Kuwayama y Trioza erytreae; pero también puede transmitirse por yemas infectadas (injerto) [4]. La distribución de la bacteria dentro de un árbol infectado puede ser irregular, por lo que no todas las yemas contendrán la bacteria o transmitirán la enfermedad. Cuanto mayor sea el tejido del floema incluido en el inoculo [4], mayor será la probabilidad de transmisión por injerto. No se ha probado que se transmita por semilla. La Trioza erytreae (África), que se adapta a climas más fríos, es muy sensible al calor y al clima seco las mejores condiciones para su desarrollo se encuentran entre los 500 y 600 msnm (metros sobre el nivel del mar) [4]. La Diaphorina citri Kuwayama (Asia) esta especie tiene mayor distribución en el mundo, se caracteriza por un corto periodo de vida y una alta fecundidad, en la siguiente tabla se describen las características morfológicas y fisiológicas.

CAPITULO 2.

[7]

Tabla 2.1. Características morfológicas y fisiológicas. [4]

El daño directo causado por ninfas y adultos se ilustra en la siguiente Figura, al extraer grandes cantidades de savia de las hojas y pecíolos, lo cual debilita las plantas, al mismo tiempo introducen sustancias tóxicas en los tejidos, dejando manchas cloróticas en las hojas donde se han alimentado [4]. El mayor daño e impacto económico de Diaphorina citri es provocado por la transmisión del HLB. Las ninfas al alimentarse de plantas infectadas por 15 a 30 minutos, requieren un período de 21 días para incubar y transmitir la bacteria [4]. Y la eficiencia aumenta al 100% cuando éstas se alimentan por 1 hora. La bacteria se trasmite de manera persistente, hay un periodo de latencia después de que el Psílidos contrae la bacteria; ésta se multiplica en el insecto vector antes de que pueda trasmitirla [4]. Dado el período de latencia, casi todos los Psílidos son capaces de transmitir el HLB. Aun en la fase final de su vida las ninfas, siguen siendo capaces de transmitir la enfermedad.

Características Descripción Tamaño De 3 a 4 mm de longitud; color marrón claro, con moteados

recubiertos de polvo ceroso. Cabeza Café con ojos rojos. Antenas Con 11 segmentos, ápice negro con dos manchas café claro en la

parte media. Alas Son anchas en tercios apicales y transparentes con manchas

marrón claro en el borde, el cual es un carácter importante para la identificación.

Huevos Alargados de 0.3 mm de longitud, color amarillo claro a anaranjado. Ubicación Ápices de las hojas nuevas y brotes, en forma vertical.

Reproducción La hembra oviposita hasta 800 huevos durante su vida y se reproduce en forma sexual.

Ciclo de vida

- Consta de 15 a 47 días dependiendo de las condiciones del clima. - Los adultos pueden vivir algunos meses. - Tienen 9 a 10 generaciones al año. - Ciclo de vida de Trioza erytrae: de 17 a 43 días - Las ninfas mueren a temperaturas de -1°C. Los adultos a temperaturas de -10°C.

Densidad de Población

Se presentan en los meses secos, la cual disminuye al aumentar la precipitación

CAPITULO 2.

[8]

Figura 2.5. A. Adulto de Diaphorina citri, B. Estados juveniles con túbulos cerosos, C. huevecillos. [5]

El HLB puede ser controlado únicamente con un programa coordinado entre los viveristas, productores y agencias del gobierno. Se tienen que producir plantas de vivero libres de la bacteria y siempre es mejor mantener las plantas madres bajo malla o en invernaderos cerrados, protegidas del vector. Una práctica importante es reducir el inoculo por eliminación de las plantas infectadas.

CAPITULO 3.

[9]

INVERNADERO.

3.1 ANTECEDENTES.

Los invernaderos en el sector de sanidad agropecuaria, han tenido un avance tecnológico sostenido de tal forma que en la actualidad se cuenta con importantes herramientas destinadas a reducir los riesgos en el proceso de producción. México se ha colocado en poco tiempo en el séptimo lugar entre los países que emplean tecnología en agricultura protegida, principalmente invernaderos; países como España, Holanda e Israel [6], son exportadores de esta innovación tecnológica

México presenta características geográficas y medioambientales ver figura, aunado a la cercanía con el principal consumidor Estados Unidos, el cual reclama un nivel de sanidad en los productos exportado de México.

Figura. 3.1 Distribución ambiental en México. [9]

CAPITULO 3.

[10]

Existen varias definiciones que se han adoptado para describir lo que es un invernadero, sin embargo, en la que todos coinciden es que se trata de una estructura capaz de modificar las condiciones ambientales exteriores y adaptarlas al interior [7], donde se encuentra el cultivo, para que este desarrolle su máximo potencial, es decir que con un invernadero se persigue el control climático, pero eso no se logra con techar con plástico una estructura, con eso es posible tal vez aumentar un poco la integral térmica, pero desde luego que eso no es control climático.

Como parte esencial en la producción en invernaderos, el control del clima, implica el conocimiento del medio, de la estructura, las variables de temperatura y humedad, así como que los sistemas de riego que en su conjunto aportarán mejores herramientas para obtener buenos rendimientos.

Son muchos los factores que están relacionados directa o indirectamente con el control del clima. En la actualidad se están dirigiendo esfuerzos a control de plagas y enfermedades mediante el usos de agentes biológicosver figura, así como un control más preciso del uso de los fertilizantes favoreciendo los sistemas de riego puntuales, pero sobre todo buscando el equilibrio entre las cantidades de agua y nutrientes que la planta necesita y lo que se aporta.

Figura 3.2.A. Laboratorio de control de plagas, B. Invernadero. [9]

3.2 DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE INVESTIGACIÓN.

Ya que a la fecha no existen métodos de control para este patógeno, con el motivo de investigar y estudiar la forma de minimizar su impacto sobre los cítricos mexicanos amenazados por la bacteria HLB [3], la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA) a través del Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA) y de la dirección de Sanidad Vegetal, se pretende dotar de una infraestructura tecnológica a un invernadero de las instancias anteriores.

CAPITULO 3.

[11]

Para implantar las condiciones idóneas en temperatura, humedad relativa y en luminosidad para hacer perdurar la vida de la bacteria en condiciones controladas para su respectivo estudio. La planta donde se pretende instalar los sistemas de control, cuenta con una extensión de , es un invernadero tipo holandés o tipo viento, ver Figura.

Figura 3.3.Invernadero Holandés, [7]

Las ventajas y desventajas del emplear un invernadero tipo holandés son:

VENTAJAS DESVENTAJAS -Un mejor comportamiento térmico. - Alto grado de control de las condiciones ambientales.

- La transmitancia se ve afectada, no por el material de cobertura, sino por el importante número de elementos de sostén. - Al tratarse de un material rígido, con duración de varios años, resulta afectado sus transmisibilidad por polvo, algas, etc.

Tabla 3.1. Ventajas y desventajas del invernadero tipo holandés. [7] La primicia de este proyecto se enfoca en el monitoreo y control de las variables ambientales antes mencionadas que se desarrollan en el invernadero, con la finalidad de recrear las condiciones idóneas para la supervivencia de la bacteria HBL y así el personal de SENASICA pueda estudiar e investigar algún tipo de fertilizante para su eliminación. A continuación se muestran las ventajas y desventajas de otros tipos de invernaderos:

CAPITULO 3.

[12]

TIPO DE INVERNADERO VENTAJAS DESVENTAJAS

Tipo túnel

- Alta resistencia al viento y fácil instalación (recomendable para productores que se inician en el cultivo protegido). - Apto tanto para materiales de cobertura flexible como rígidos.

- Relativamente pequeño volumen de aire retenido (escasa inercia térmica) pudiendo ocurrir el fenómeno de inversión térmica. - Solamente recomendado en cultivos de bajo a mediano porte (lechuga, flores, frutillas).

Tipo capilla

- Construcción de mediana a baja complejidad. Utilización de materiales con bajo costo, según la zona. - Apto para materiales de cobertura flexibles como rígidos.

- Problemas de ventilación con invernaderos en baterías. - A igual altura cenital, tiene mayor volumen encerrado que por ejemplo invernaderos curvos. - Mayor número de elementos que disminuyen la transmitancia. - Elementos de soportes internos que dificultan los desplazamientos y el emplazamiento de cultivos.

Diente de sierra

- Construcción de media complejidad. - Excelente ventilación. - Empleo de materias de bajo costo (según la zona).

- Sombreo mucho mayor que capilla. - Menos volumen de aire encerrado, que el tipo capilla.

Tipo parral o almeriense

- Gran volumen de aire encerrado. - Despreciable incidencia de los elementos de techumbre en la intercepción de la luz.

- Deficiente ventilación. - Alto riesgo de una rotura por precipitación intensas. - En zonas de baja radiación, la escasa pendiente del techo representa una baja captación de la luz solar.

Capilla modificado

- Construcción de media complejidad. - Empleo de materiales de bajo costo.

- Sombreo mayor que capilla pero menor que diente de sierra. - A la igual altura cenital, tiene mayor volumen encerrado que por ejemplos invernaderos curvos.

Tabla 3.2. Tipos de invernaderos. [7]

CAPITULO 3.

[13]

3.3 MODELO MATEMÁTICO DEL INVERNADERO.

Variación de temperatura dentro del invernadero.

............ (A)gg V g r g s s

dTC K GT K T K T

dtη λ= − − −

La humedad dentro del invernadero.

................................. (B)sh c s g

dTC T Tdt

φµ φ= − +

Valores de las variables y constantes.

( )( )( )( )( )( )( )

1

3

Factor de eficiencia solar 0.5

Radiación 0.8

Energía de vaporización 2500

Flujo de ventilación 0.8

Capacidad calorífica 1200

Humedad 2010 /

Condensación del agua 0.3

Intercambio de

g

h

c

V

G

Jg

C Jm C

C J Kg C

K

η

λ

φ

µ

−

−

=

=

=

=

= °

= °

=

( )( )( )

calor por ventilación 30

Intercambio de calor de las paredes 25

Perdida de calor por evaporación 22r

s

C

K C

K C

= °

= °

= °

Sustituir los valores en A y B. Y pasar a su representación en espacio de estados.

1

2

1 1

22 2

1200 62488 22 = ............ (C)

2010 0.24 0.2 = ................(D)

x x

x x

gg s

ss g

gg

s

dTT T u

dtdT T T udt

dTT

dtdTTdt

•

•

− − −

− − +

= =

= =

Aplicar cambio de variables a C y D.

CAPITULO 3.

[14]

1 1 2 1

2 2 1 2

1200 x 62488x 22x = .................(E)

2010 x 0.24x 0.2x = ...................(F)

u

u

•

•

− − −

− − +

Despejar las derivadas de X1 y X2.

1 1 2 1

2 2 1 2

x 52.0733x 0.01833x .................(G)

x 0.000119x 0.000099x ..............(H)

u

u

•

•

= − − +

= − =

Establecer ecuación matricial.

1 1

22

1

2

x x52.0733 0.01833 1 0x0.000119 0.000099 0 1x

x1 00

x0 1g

s

TT

•

•

− − = + −

= +

3.3.1 Controlabilidad.

[ ]

0 1

0

1

1 01

0 1

52.0733 0.01833 1 00.00515

0.000119 0.000099 0 1

1 0.00515

C

C

M A B A B

A B

A B

M

=

= = − −

= = − =

CAPITULO 3.

[15]

3.3.2 Observabilidad.

0

1

0

1

1 01

0 1

52.0733 0.01833 1 00.00515

0.000119 0.000099 0 1

10.00515

O

O

A CM

A C

A C

A C

M

=

= = − −

= = −

=

Por los resultados obtenidos se concluye que el sistema es controlable y observable.

3.3.3 Función de transferencia.

( ) ( )( ) ( )

( )

( )

( )

1

1

1

2

1 0 0 52.0733 0.01833 1 00 1 0 0.000119 0.000099 0 1

1 0 52.0733 0.01833 1 00 1 0.000119 0.000099 0 1

0.0000991 0 0.005150 1

Y SG S C SI A B D

U S

SG S

S

SG S

S

SSG S

−

−

−

= = − +

− − = − −

= −

=

( )

3 2 3

2 3 2 3

2 3

2 3

0.018331 00.00218 10 0.00515 0.00218 10

0.000119 52.0733 0 10.00515 0.00218 10 0.00515 0.00218 100.000099 0

0.00515 0.00218 1052.07330

0.00515 0.00218 10

x S xS

S x S xS

S xG SS

S x

− −

− −

−

−

− + +

+ +

+= +

( )3

3 4 8 2 12

5.15525 100.02652 10 2.245 10 4.7524 10

xG Sx S x S x

−

− − −

=+ +

CAPITULO 3.

[16]

|3.3.4 Control PID del modelo matemático y simulación en Simulink Matlab.

En la figura siguiente se muestra la implementación de la función de transferencia en un control PID, en este caso se ajustaron las ganancias para sintonizar la planta y tener una salida idónea para nuestro sistema, como se observa en la figura 3.5.

Figura 3.4. Control PID del la planta. [6]

Figura 3.5. Respuesta de entrada y salida de la planta. [6]

CAPITULO 4.

[17]

VARIABLES DE UN INVERNADERO

4.1 TEMPERATURA.

Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del microclima dentro de un invernadero, ya que es el que más influye en el crecimiento y desarrollo de la bacteria HBL. Normalmente la temperatura óptima para la reproducción de la bacteria es de 22°C a 31°C [10]. Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y limitaciones del patógeno. Así mismo se deben aclarar los siguientes conceptos de temperaturas, que indican los valores objetivos a tener en cuenta para el buen funcionamiento del invernadero

• Temperatura mínima letal. Aquella por debajo de la cual se producen daños en la bacteria.

• Temperaturas máximas y mínimas biológicas. Indican valores, por encima o por debajo respectivamente del cual, no es posible que la bacteria alcance su desarrollo.

• Temperaturas nocturnas y diurnas. Indican los valores aconsejados para un correcto desarrollo de la bacteria.

Tipos de Temperaturas Bacteria HBL

(°C)

T. Mínima Letal 0 - 15

T. Mínima Biológica 16 - 21

T. Óptima 22 -31

T. Máxima Biológica 32 - 33

T. Máxima Letal 34 - 36

Tabla 4.1. Tipos de temperaturas del HBL. [14]

La temperatura en el interior del invernadero, va a estar en función de la radiación solar, comprendida en una banda entre 200 y 4000 mm [10], la misión principal del invernadero será la de acumular calor durante las épocas invernales. El calentamiento del invernadero se produce cuando la radiación infrarroja, procedente de la radiación solar que pasa a través del material de la cubierta, se transforma en calor.

CAPITULO 4.

[18]

El calor se transmite en el interior del invernadero por irradiación, conducción, infiltración y por convección, tanto calentando como enfriando. La conducción es producida por el movimiento de calor a través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección tiene lugar por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del invernadero. La infiltración se debe al intercambio de calor del interior del invernadero y el aire frío del exterior a través de las juntas de la estructura. La radiación, por el movimiento del calor a través del espacio transparente [10].

Figura 4.1. Absorción solar en un invernadero. [15]

Esta radiación es absorbida por las plantas, los materiales de la estructura y el suelo [10], ver figura 4.1. Como consecuencia de esta absorción, éstos emiten radiación de longitud más larga que tras pasar por el obstáculo que representa la cubierta, se emite radiación hacia el exterior y hacia el interior, calentando el invernadero.

Algo que se debe de tomar en cuenta a la hora de la medición de la temperatura en un invernadero es que dentro de él existen varias temperaturas dependiendo el lugar en donde uno se ubique eso es también conocido como corrientes térmicas como se ilustra en la figura.

Figura 4.2. Corrientes térmicas en un invernadero. [16]

CAPITULO 4.

[19]

4.2 HUMEDAD RELATIVA (HR).

La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire. La humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, en relación con la máxima que sería capaz de contener a la misma temperatura [13].

Existe una relación inversa de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por tanto disminuye la HR. Con temperaturas bajas el contenido en HR aumenta.

Cada especie tiene una humedad ambiental idónea en el caso de la bacteria HBL su HR óptimo, es de 15-95% [13]. La HR del aire es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Cuando la HR es excesiva se reduce la transpiración de la planta y disminuye el crecimiento de la bacteria HBL, por el contrario, si es muy baja, la planta presenta un exceso transpiran.

Para que la HR se encuentre lo más cerca posible del óptimo, el investigador debe ayudarse del higrómetro. El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la temperatura y evitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con riegos, llenando canalillas o balsetas de agua, pulverizando agua en el ambiente, ventilado y sombreado [13].

Por lo tanto, el balance hídrico del invernadero siempre va ser una problemática, porque generalmente se considera, por un lado las fuentes de aprovisionamiento de vapor de agua y por otro los procesos que tienden a disminuir la cantidad de vapor de agua contenida en la atmosfera del invernadero.

Otro aspecto a tomar en cuenta es el tipo de substratos (suelo), que esté presente en el invernadero debido a que estos presentas diferentes características hidrológicas, ver tabla.

Substratos Capacidad Hidrológica (% HR)

Arena 42 Mantillo de Castaño 68 Mantillo de Estiércol 87

Turba 65 Perlita 67

Vermiculita 74 Cellager 92

Tabla 4.2. Características hidrológicas de los distintos substratos. [13]

4.3 ILUMINACIÓN ARTIFICIAL.

Las bajas intensidades luminosas y los cortos fotoperiodos, pueden ser determinantes en diferentes especies debido a que a una mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la temperatura, la HR y el CO2, para que la bacteria se reproduzca y sobreviva; por el contrario, si hay poca luz pueden descender las necesidades de otros factores. De ahí la necesidad de integrar la irradiación solar natural con la iluminación artificial.

CAPITULO 4.

[20]

Las características ópticas de los materiales de recubrimiento influyen de manera importante en el balance luminoso de los invernaderos, reduciendo la cantidad total de irradiación solar que penetra en el invernadero impidiendo la penetración en el invernadero de lagunas bandas luminosas, como la ultravioleta [13].

En aplicaciones prácticas de la iluminación artificial en invernaderos se limitan a dos tipos de intervención:

4.3.1 Iluminación Fotoperiódica.

En esta se utiliza la luz artificial para modificar el fotoperiodo, la eficacia del sistema va depender de la intensidad de irradiación, distribución espectral y el momento de aplicación [13]. Se distinguen dos técnicas de iluminación:

1) La ampliación de la duración del día, esta implica dos periodos luminosos uno seguido de otro. El primer periodo se realiza con una al intensidad luminosa de luz natural y el segundo se realiza con bajos niveles de iluminación suministrados por fuentes artificiales.

2) La interrupción del período oscuro (noche), se divide en dos periodos, el primero con un

nivel alto de iluminación natural y el segundo que interrumpe la fase oscura del ciclo diario con una intensidad luminosa artificial y baja.

Las necesidades de luz desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, varían según el tratamiento luminoso, el primero se utiliza para inducir (periodos mayores de 12 horas de iluminación), mientras que el segundo se emplea para inhibir (periodos de iluminación no superior 12 horas) [13]. 4.3.2 Iluminación Suplementaria En este tipo de técnica la iluminación natural y la artificial se realiza al mismo tiempo, pero nada más es aplicada durante los meses de invierno y el tiempo de duración va a variar de pendiendo como se va desarrollando la bacteria [13]. Para la implementación de la técnica suplementaria se necesita analizar las características del tipo de lámpara adquirir como:

1) La distribución espectral de la luz emitida. 2) El costo de instalación y consumo de energía eléctrica. 3) La potencia: según sea la exigencia en el invernadero se pueden emplear fuentes

luminosas con diferentes niveles de potencia. 4) El rendimiento de la lámpara.

CAPITULO 4.

[21]

4.4 SENSORES.

4.4.1 Sensores de Temperatura. 4.4.1.1Termopar. Es la unión de dos metales diferentes, como se ilustra en figura, éstos se mantienen a diferentes temperaturas producción una corriente que fluye en el circuito termoeléctrico, a este fenómeno se le llama efecto Seebeck [10].

Figura 4.3. Circuito cerrado con dos metales de diferente material. [10] Si el circuito se abre en el centro, se tendrá un circuito de voltaje (voltaje Seebeck), es posible medir ese voltaje en mV, que genera el circuito en sus extremos en función de la temperatura en las uniones y de la composición de los dos metales. Debido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método práctico industrial para la medición de temperaturas entre 500 y 1500 ºC. En temperaturas menores a 500 ºC se emplea también el termopar aunque su costo sea mayor con el fin de tener un solo tipo sensor [10]. En la tabla se pueden observar los tipos de termopares que existen en el mercado y sus polaridades, así como el rango en que operan cada uno de ellos. Un termopar consta de un forro externo que cubre los dos alambres y uno interno que cubre el alambre individualmente. El forro externo indica el tipo de termopar y el interno la polaridad [1]. En la versión americana, el color rojo siempre es el negativo. Tipo Material Código de Color Encapuchado Rango (°C) Grado de Termopar

Hilo Positivo

Hilo Negativo

Hilo Positivo

Hilo Negativo Extensión Encapuchado Mínimo Máximo

J Hierro Constantán Blanco Rojo Negro Café 0 750 K Cromo Alumel Amarillo Rojo Amarillo Café -200 1250 T Cobre Constantán Azul Rojo Azul Café -200 350 E Cromo Constantán Morado Rojo Morado Café -200 900

Tabla 4.3. Tipos de termopares, polaridad y colores. [17]

CAPITULO 4.

[22]

4.4.1.2. Detectores de Temperatura de Resistencia (RTD). Los RTD, también llamados termómetros de resistencia, están basados en la propiedad de ciertos metales [11], en los cuales su resistencia cambia con variaciones de temperatura. Los RTD son en principio bobinas de alambre enrolladas dentro o alrededor de soportes de material aislante capaz de soportar la temperatura. En la actualidad, los metales más comúnmente empleados son: el platino, níquel, tungsteno y cobre, aunque ocasionalmente también se emplea: iridio, rodio, plata, y hierro con Tántalo [11]. La construcción típica de un RTD, consta de: una terminal de conexiones, unos alambres de conexión, el elemento de medición, un soporte de aislamiento, una funda metálica y un aislante de porcelana para evitar que se mueva, que además previene de un corto circuito entre el alambre y su contenedor[11]. Por otra parte, mediante la ayuda de circuitería adicional, los RTD´s funcionan como transductores eléctricos, convirtiendo los cambios de temperatura en señales de voltaje, mediante cambios de resistencia [11]; para efectuar la conexión eléctrica del RTD al instrumento de medición, se emplean tres métodos que son conocidos como circuitos de dos, tres y cuatro hilos o alambres conductores. Como el circuito puente de Wheatstone, mostrado en la figura, es un arreglo de cuatro resistencias que en condiciones iníciales tienen el mismo valor, y se genera un cambio de voltaje al detectarse cambios en el valor de alguna de las resistencias. Normalmente en este tipo de arreglo, tres resistencias permanecen fijas y la cuarta es una resistencia variable y el RTD es la resistencia variable del circuito puente [11].

Figura 4.4. Circuito puente con RTD. [10]

Si el RTD es calentado, el valor de su resistencia cambia, provocando un desbalance de corriente en el brazo en donde está conectado, cambiando la caída de voltaje del punto negativo (-) y como consecuencia creando una variación de voltaje a la salida, de esta manera se registrarán los cambios de voltaje en función de la temperatura. El rango de temperatura del RTD es –259 a 631ºC [11].

CAPITULO 4.

[23]

4.4.1.3 Termistores.

El termistor es un dispositivo semiconductor con un coeficiente de temperatura negativa en contraste con el coeficiente positivo que presentan la mayoría de los metales [10]. Además, la resistencia sigue una variación exponencial con la temperatura en vez de una relación polinomial. Algunas de las sustancias empleadas para su elaboración son el óxido de cobalto, magnesio, manganeso, níquel o uranio. En un termistor, si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras que si es positivo, se denominan PTC [1]. Los termistores NTC se fabrican a base de mezclar y sinterizar óxidos con metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre. El proceso se realiza en una atmósfera controlada dándoles la forma y tamaño deseados. En general tienen una tolerancia del 10% de su valor nominal. Para altas temperaturas (mayores a 1000 °C) se emplean óxidos de itrio y circonio [11]. Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación, hay modelos con rango entre (-100 y 350°C) [10], las PTC de medida están basadas en silicio dopado. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de 10 veces mayor que las metálicas y aumentan su resistencia al disminuir la temperatura. Estos semiconductores están constituidos por óxidos metálicos, tales como óxido de magnesio (MgO), óxido de aluminio y magnesio (MgAlO), óxido de manganeso (MnO), óxido de fierro (FeO), óxido de cobre (CoO), óxido de níquel (NiO), óxido de zinc y titanio (ZnTiO) [10]. 4.4.1.3.1 Tipos de Termistores. Se encuentran catalogados en dos tipos, los directamente calentados y los indirectamente calentados ver figura. El tipo directamente calentado es llamado algunas veces autocalentado, ya que el calor que recibe es de la temperatura ambiente a la que está expuesta, o de la propia que genera al paso de la corriente por el termistor o ambas [11]. En el tipo indirectamente calentado, el calentamiento es producido principalmente por un elemento calefactor de tipo eléctrico, como un filamento de alambre o por estar montado en un disipador de calor, en este caso los efectos de la temperatura ambiente son mínimos, o prácticamente nulos ya que el calefactor y el termistor se encuentran contenidos en una cápsula al vacío. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad diez veces mayor que las metálicas y disminuye su resistencia al aumentar la temperatura.

Figura 4.5. Símbolos del termistor. [10]

CAPITULO 4.

[24]

4.4.1.4 Circuitos Integrados para la Medición de Temperatura.

La innovación más reciente en la termometría ha sido el diseño de transductores de temperatura con circuitos integrados, éstos se encuentran disponibles con salida en voltaje, como en corriente. Ambos entregan una salida que es linealmente proporcional a la temperatura absoluta. Los rangos que se manejan son: 1µA/ºK y 10 mV/ºK [12].

Estos dispositivos proporcionan una forma conveniente de producir señales analógicas de voltaje en función de la temperatura. Excepto por el hecho de que entregan una salida lineal, estos dispositivos comparten las mismas desventajas de los demás, como son; autocalentamiento, fragilidad, además de requerir de una alimentación externa. El circuito empleado en la medición de temperatura es el LM335A o LM35DZ fabricados por National Semiconductor [1]. El sensor LM35DZ mostrado en la figura tiene la apariencia de un circuito integrado de tres terminales, y proporciona un voltaje de salida que varía linealmente con la temperatura a razón de 10 mV/ºC.

Figura 4.6. Sensores de temperatura tipo circuito integrado. [18] El rango de temperaturas en la cual opera es de 0ºC hasta 100ºC, con una tensión de alimentación de entre 4 y 30 volts de corriente directa; y una corriente de 90 mA, cuando se alimenta con 5 volts de corriente directa, la precisión es de 0.9ºC [18]. Mientras que el LM335A es un sensor de precisión que funciona como un diodo zener, este circuito proporciona un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta, con un factor de 0.10 mV/ºC. Su rango de temperatura es de –40ºC hasta 100ºC, tiene una precisión de 1ºC, a 5 volts de corriente directa, y consume una corriente de 400 mA [9]. El voltaje de salida es de 0 volts cuando la temperatura es de 0ºK y cuando hay una temperatura de 0ºC da un voltaje de salida de 2.73 volts. El sensor LM35DZ o el LM335A se usan frecuentemente en la medición de temperatura ambiente. Normalmente la señal que genera este sensor es enviada a un circuito convertidor analógico - digital el cual convierte la señal de voltaje en una señal digital (pulsos), para su posterior tratamiento mediante un programa en una PC o mediante algún microcontrolador.

CAPITULO 4.

[25]

4.4.2 Sensores de Humedad. 4.4.2.1 Sensor Capacitivo. Es quizás de los más difundidos en la industria y meteorología, pues son de fácil producción, bajos costos, y alta fidelidad como se ilustra en la siguiente figura. El principio en el cual se basa este tipo de sensores, es en el cambio que sufre la capacidad de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo [11]. Si se utiliza como dieléctrico, una mezcla gaseosa que contenga vapor de agua, el valor de la capacitancia del condensador va a variar dependiendo de la cantidad de moléculas de agua que estén presentes entre las placas. En consecuencia basta medir, o convertir el cambio de capacitancia, a otro tipo de variable eléctrica más fácil de manejar, lo anterior se puede lograr con un puente de Wheatstone de condensadores, o un circuito resonante, o también utilizar el condensador como componente de un oscilador astable que varía su frecuencia de acuerdo al cambio de capacitancia [11].

Figura. 4.7 Sensor capacitivo de humedad 232269190001. [19]

El sensor tiene en una de las placas un alambre conductor, mientras la otra es una malla fina de oro que permite el paso del gas, pero retiene impurezas [11]. Como dieléctrico se utiliza un material higroscópico poroso (cerámico) que rodea el alambre, el cual absorbe el agua de la muestra, aumentando aun más la constante dieléctrica del condensador, en proporción a la HR existente. Son robustos y tienen excelente precisión, además de operar en rangos de temperaturas de -80[ºC] a 60[ºC] [11]. Es conviene limpiar el sensor periódicamente, con el fin de no obstruir la circulación de aire a través del manto, y por ende no alterar la medición. 4.4.2.2 Sensor Resistivo. Miden el cambio en la impedancia eléctrica de un medio higroscópico como puede ser un polímero conductor, una sal o un substrato tratado [11]. Los sensores resistivos tienen una respuesta no lineal frente a cambios de humedad relativa y por tanto deben ser tratados por circuitos, para ser linealizados. Tienen mayor exactitud a altas humedades relativas pero menor exactitud a bajas

CAPITULO 4.

[26]

humedades. Son elementos de bajo costo, tamaño y tienen una buena estabilidad a largo plazo, ver figura.

Figura 4.8. Sensor de humedad resistivo. [20] 4.4.2.3 Sensor por Conductividad. Estos sensores basan su funcionamiento en medir la humedad absoluta cuantificando la diferencia entre la conductividad en un material seco y un material que contiene vapor de agua del aire. Estos sensores tienen una mayor resolución que los capacitivos y resistivos a temperaturas por encima de los 90 ºC, ver figura.

Figura 4.9. Sensor de humedad por conductividad. [21]

CAPITULO 4.

[27]

4.5 TIPOS DE LAMPARAS PARA INEVRNADEROS. La selección del tipo de lámpara es función del empleo que ellas se vayan a hacer. En cualquier caso, las características técnicas que deben tenerse presentes en el momento de su adquisición son:

1) La distribución espectral de la luz emitida que es de fundamental importancia con relación a los fotorreceptores implicados en las varias repuestas fotosintéticas y fotomorfogenéticas reguladas por la luz [13].

2) En el costo de instalación y consumo de energía.

3) La potencia exigida: según la radiación exigida se puede emplear fuentes luminosas con diferentes niveles de potencia.

4) El rendimiento de la lámpara, que indica el tanto porciento de la potencia que se transformo en luz.

En la siguiente tabla se muestran los tipos de lámpara más usadas en los invernaderos.

TIPO DESCRIPCION IMAGEN

LAMPARAS INCANDESENTES

La porción de cristal en este tipo lámpara se le llama bulbo; varía de forma según las exigencias del caso. La mayor parte de estos bulbos están hechos de cristal blando; tienen una transmisión alta para la luz visible y para la energía infrarroja mientras es opaco con una longitud de onda inferior a 300nm (ultravioleta).

TUBOS FLUORESCENTES

La luz producida por tubos fluorescentes deriva de la acción de la radiación a 253,7 nm del arco de mercurio a baja presión, sobre el recubrimiento de fósforo de la superficie interior del bulbo tubular de cristal [13]. El fosforo es capaz de convertir esta luz de longitud de onda, en una luz de longitud de onda mayor y con un alto grado de eficiencia.Los tubos fluorescentes están disponibles en diferentes colores y en muchas graduaciones de blanco.

CAPITULO 4.

[28]

TIPO DESCRIPCION IMAGEN

LAMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO

Las lámparas de vapor de mercurio están constituidas por una pequeña ampolla de cuarzo, provista de dos electrodos principales y uno o dos auxiliares, en cuyo interior se encuentra una cierta cantidad de argón y unas gotas de mercurio. Los electrodos auxiliares llevan una resistencia en serie que limita la intensidad que puede circular por ellos. Su funcionamiento es similar a la de los tubos de mercurio.

LAMPARAS DE

VAPOR DE SODIO

Existen 2 tipos; 1. Las de baja presión, están

formadas por dos ampollas de vidrio tubulares. La ampolla interna o tubo de descarga tiene forma de U y en su interior se encuentra una pequeña cantidad de gas neón a baja presión y sodio puro en forma de gotas, generando pocas cantidades de calor.

2. A comparación de las

lámparas de sodio a baja presión estas tienen una inmejorable eficacia luminosa, pero su reproducción cromática es muy deficiente. Para mejorar este tipo de lámparas hay que hacerles una serie de modificaciones, tales como aumentar la presión del vapor de sodio, a costa de trabajar a temperaturas más elevadas.

Tabla 4.4 Tipos de lámparas.

CAPITULO 4.

[29]

4.6 SELECCIÓN DE SENSORES.

Selección de sensor de Temperatura.

Con las características anteriormente vistas de los sensores de temperatura se eligió el dispositivo LM335 de la empresa National Semiconductor, para el monitoreo de la temperatura debido a:

LM335 Ventajas - Su respuesta es lineal.

- Alto rendimiento. - Económico. - Simplifica el acondicionamiento de señal. - Precisión calibrada menor a 1°C en rangos de medida.

Desventajas - Rangos de temperatura acotados. - Requiere de una fuente de alimentación externa. - Autocalentable.

Tabla 4.4. Ventajas y desventajas del LM335.

Otra de las razones por las cuales se eligió el sensor, es que no se manejan temperaturas mayores a 50 °C para la reproducción de la bacteria HBL (Capitulo 2).

Figura 4.17. Circuito sensor de temperatura.

CAPITULO 4.

[30]

Selección de sensor de Humedad.

Para la medición de esta implementara un sensor de humedad capacitivo, siendo más específico el HMZ-433A de la empresa Ghintro tech debido a:

HMZ-433A Ventajas - Su respuesta es lineal.

- Alto rendimiento. - Económico. - No se requiere de un circuito acondicionador de señal. - Precisión calibrada. - Resolución del ± 5% RH.

Desventajas - Rangos de humedad acotados (0 al 100%). - Requiere de una fuente de alimentación externa.

Tabla 4.5. Ventajas y desventajas del HMZ-433A.

Figura 4.18. Sensor de humedad HMZ-433A. [23]

CAPITULO 5.

[31]

SISTEMAS DE RIEGO

En la agricultura tecnificada, donde se incluye a los invernaderos, el suministro de agua es fundamental para lograr el aseguramiento de niveles de productividad más adecuados y por ende, un incremento en los rendimientos de la producción. Es decir, el agua juega un papel importante para las plantas por sus efectos sobre fenómenos físicos diversos, como el transporte de nutrientes, la transpiración y reducción de la temperatura de las hojas [24]. Existe también, una estrecha relación entre la absorción de agua efectuada por la planta y su desarrollo.

Por lo tanto, una forma muy sencilla de mejorar la productividad es proporcionar un suministro de agua en proporciones correctas. Y es, precisamente, en los cultivos protegidos donde se puede percibir mejor los beneficios obtenidos por un buen suministro de agua por medio del riego, ya que la lluvia es nula. Asimismo, al ser el invernadero un espacio cerrado, el sistema de riego tiene gran influencia sobre el clima interno, de tal modo que puede constituir uno de los métodos de regulación de la humedad del aire y de la temperatura del suelo. Por todo ello merecen una especial atención tanto el proceso de selección, como el de manejo del sistema de riego, ya que la elección de un sistema de este tipo no se basa únicamente en criterios técnicos o sociales, sino también en criterios económicos y en las condiciones exteriores a la explotación, como el suministro de electricidad, la disponibilidad de materiales, etc. [24]

Entre los sistemas de riego más comunes se encuentra el riego por surcos, aspersión el riego localizado. Algunos de estos sistemas se describen, de manera general, dentro de este capítulo, junto con una explicación más a detalle de los sistemas empleados dentro del proyecto presentado. 5.1 TIPOS DE SISTEMAS DE RIEGO.

5.1.1 Riego por Surcos. Este sistema tradicional, que se utiliza ampliamente en muchas regiones de la república mexicana y sobre todo en pequeñas explotaciones familiares, tiene la principal ventaja de ser muy económico, aunque también presenta grandes desventajas que reducen los beneficios de su bajo costo [25].

En el riego por surcos el agua se mueve por gravitación, es decir el agua se desliza siguiendo la pendiente y no requiere de energía extra para darle movimiento. La calidad del riego depende en un principio del tipo de terreno, por lo que se requiere una buena orientación y una buena longitud.

Un sistema de riego por surcos está compuesto básicamente por: una cañería de conducción (manga de polietileno, caño de PVC o de aluminio) que se ubica en la cabecera de los surcos, boquillas, válvulas o ventanas para verter el agua en los surcos. La figura 5.1 muestra el uso del sistema de riego por surcos.

CAPITULO 5.

[32]

Figura 5.1. Riego por surcos. [31]

Etapas del Riego por Surco:

1

2

3

4

5

Tabla 5.1. Etapas del riego por surco. [1]

CAPITULO 5.

[33]

1. El agua avanza en el surco e infiltra. 2. El agua llega al final del surco.

- Continúa el riego para humedecer la profundidad explotada por las raíces. - Una parte del agua escurre

3. El agua llega al final del surco: - Continúa el riego para humedecer la profundidad explotada por las raíces. - Una parte del agua escurre

4. - En la cabecera del surco se ha humedecido la profundidad deseada pero al final del mismo todavía no, por lo tanto continúa el riego

5. La lámina es suficiente al final del surco. Se detiene el riego. - Una parte del agua de riego infiltró fuera de la zona radicular· Una parte del agua de riego escurrió al final del surco.

Ventajas y desventajas

VENTAJAS DESVENTAJAS Bajo costo No proporciona un suministro de agua

uniforme y constante En algunos casos eleva el nivel de humedad

del aire en el invernadero por encima de los niveles adecuados.

No permite la automatización ni la fertirrigación.

Tabla 5.2. Ventajas y desventajas del riego por surco

5.1.2 Riego Mediante Sistemas con Presión de Agua. 1) Riego por aspersión. Es aquel sistema de riego que trata de imitar a la lluvia. Es decir, el agua destinada al riego se hace llegar a las plantas por medio de tuberías y mediante unos pulverizadores, llamados aspersores y, gracias a una presión determinada, el agua se eleva para que luego caiga pulverizada o en forma de gotas sobre la superficie que se desea regar [25].

Figura 5.2. Riego por aspersión. [32]

CAPITULO 5.

[34]

Para conseguir un buen riego por aspersión son necesarios:

• Presión en el agua • Una estudiada red de tuberías adecuadas a la presión del agua • Aspersores adecuados que sean capaces de esparcir el agua a presión que les llega por la

red de distribución. • Depósito de agua que conecte con la red de tuberías.

Ventajas y desventajas

VENTAJAS DESVENTAJAS

Ahorro en mano de obra Daños a las hojas y a las flores La eficiencia del riego Requiere una inversión importante

Útil para distintas clases de suelos El viento puede afectar Tabla 5.3. Ventajas y desventajas del riego por aspersión

En el caso de los invernaderos, aunque es posible utilizar este sistema, es peligroso utilizar la aspersión durante invierno, el riego por aspersión a temperatura relativamente baja produce daños fisiológicos, como es el caso de la caída de las flores en plantas que requieren calor [30].

5.1.3 Nebulización. La nebulización es un caso especial de aspersión a presión media que se utiliza en los invernaderos. Su papel principal es regular la humedad de la atmósfera del invernadero y hasta cierta medida ajustar la temperatura interior. Por lo tanto puede ser un sustituto, aunque a veces sólo un complemento, de la ventilación [25].

El método consiste en situar sobre un terreno una solución coloidal, a modo de nube, en la que el soluto es el agua y el disolvente el aire. Esta solución se consigue mediante un ventilador centrífugo que impulsa aire a través de una tubería, proporcionando el volumen de aire adecuado, a una velocidad previamente fija, junto con los inyectores situados en los nebulizadores, utilizados para introducir la cantidad precisa de soluto, obteniéndose finalmente la solución que será conducida desde este punto hasta la atmosfera a través de los nebulizadores. La figura 5.3 muestra el efecto de nebulización dentro de un invernadero.

Figura 5.3. Riego por nebulización. [33]

CAPITULO 5.

[35]

5.1.4 Sistema de Riego Localizado.

El método de suministro de agua más utilizado es el sistema de riego localizado. El riego localizado es un sistema de riego en el que se aplica el agua únicamente a la zona del suelo donde está el cultivo (macetas). Esta aplicación se realiza mediante emisores (goteros, Microaspersores) a los que llega el agua a través de una red de tuberías a presión [26].

Las características de este sistema de riego es que sólo se humedece una parte del suelo, de donde la planta podrá obtener el agua y los nutrientes necesarios. Estas características de focalización (localización) brindan una serie de ventajas tanto agronómicas como económicas, así como algunos inconvenientes. A continuación se enuncian las características más importantes de este sistema que fueron tomadas como base para la selección de este sistema de riego en el proyecto presentado.

Dentro de las ventajas de tipo agronómico cabe destacar las siguientes [26]:

a) Ahorro de agua, debido a la reducción de la evapotranspiración, de las pérdidas de agua en las conducciones y a la posibilidad de medir y controlar la cantidad de agua aportada.

b) Es posible mantener el nivel de humedad en el suelo de forma relativamente constante y elevada, sin que lleguen a producirse encharcamientos que provoquen la asfixia radicular o faciliten el desarrollo de enfermedades.

c) Hace posible la utilización de aguas de menor calidad, debido a la alta frecuencia de riego, que hace que las sales estén más diluidas, lavando de forma continua el bulbo húmedo que se forma alrededor del gotero. d) Hace posible la fertirrigación (aplicación de fertilizantes y alimentos nutritivos que precisan las plantas), lo que conlleva un ahorro en fertilizantes y mano de obra, una mejor distribución de dichos recursos en el tiempo y en el espacio, y una mejora en la asimilación de fertilizantes, lo permite actuar rápidamente ante deficiencias nutritivas en el cultivo. e) Facilita el control de malas hierbas, ya que éstas se localizan tan sólo en el área húmeda.

En cuanto a ventajas de tipo económico y de manejo, las principales son:

a) Un gasto energético menor, debido a la reducción de los consumos de agua y a las menores necesidades de presión.

b) Reducción en la cantidad de mano de obra necesaria para el manejo del riego. c) Se presenta como un proceso de fácil automatización.

Los principales inconvenientes se refieren a:

a) Alta posibilidad de obstrucción de los emisores.

b) Aumento en el costo de las instalaciones respecto a otros sistemas de riego.

CAPITULO 5.

[36]

c) Requiere la administración constante y uniforme de presión para su funcionamiento.

5.2 SISTEMA DE RIEGO LOCALIZADO.

Como se menciono anteriormente en este proyecto se ha implementado un sistema de riego localizado que permite controlar tanto la humedad, temperatura y agua que el cultivo requiera (en este caso serán las características de la bacteria huanglobing). Es por ello que en la presente sección se describe a detalle este sistema de riego.

5.2.1 Componentes de un Sistema de Riego Localizado.

Los elementos que componen este tipo de sistema de riego son los siguientes: [28]

a) Bomba: Este dispositivo aporta presión al sistema. En caso de existir suficiente presión natural este elemento no es necesario.

b) Cabezal de riego: Dentro de este elemento se encuentran el sistema de filtrado, el equipo de fertirrigación y el de tratamiento del agua de riego. También integran el cabezal de riego todos los automatismos del sistema y los elementos de medida y control del agua aplicada.

c) Red de tuberías: Es una red de distribución a presión que pueden ir sobre el suelo o enterradas.

d) Emisores: aplican el agua de riego en la superficie del suelo (goteros superficiales, tuberías perforadas), en la zona radicular (goteros enterrados) o en forma de una fina lluvia (Microaspersores).

Figura 5.4. Cabezal de riego localizado [34]

5.3 TIPOS DE RIEGO LOCALIZADO

Los diversos tipos de riego localizado que existen y son aplicados a los invernaderos son: [29]

1) Riego por Goteo

a) Subterráneo

b) Superficie

CAPITULO 5.

[37]

2) Tuberías Emisoras

a) Goteadoras

b) Exudantes

3) Microaspersión

a) Microaspersores

b) Microdifusores

c) Microjets

5.3.1 Riego por goteo.

En este tipo de riego el agua se aplica al cultivo por medio de goteros. Estos emisores aplican el agua gota a gota sobre la superficie del suelo o bajo ésta. Para que el agua salga gota a gota, los emisores llevan un sistema que reduce la velocidad y la presión del agua de riego que les llega por los laterales. Los goteros funcionan a bajas presiones (1 Kg/cm2) y aplican un pequeño caudal (de 2 a 16 l/h). Da buenos resultados en cultivos en línea espaciados entre sí. No es un buen sistema de riego para cultivos que cubren toda la superficie del suelo. Para definir un tipo de gotero se puede atender a distintas clasificaciones [28]:

Según el sistema que utilizan para disminuir la presión del agua que les llega por la red (tuberías, emisores) de distribución [28]:

a) Goteros de laberinto: El agua atraviesa un conducto en forma de laberinto que hace disminuir su presión y velocidad. Es poco sensible a las obstrucciones y a los cambios de presión y temperatura.

b) Goteros laminares: El orificio de salida del agua de riego se encuentra al final de un pequeño tubo. El régimen del agua en este emisor es laminar, de aquí proviene su nombre.

c) Goteros de vórtice: El agua se introduce en un pequeño compartimento circular en el que se produce un remolino, en cuyo vórtice se encuentra el orificio de salida del agua de riego. Son emisores poco sensibles a los cambios de presión y temperatura

d) Goteros de orificio: Este tipo de goteros dispone de una serie de orificios de pequeño tamaño que hacen disminuir la presión y velocidad del agua a aplicar. Tienen el inconveniente de ser muy sensibles a las obstrucciones dado que el diámetro de los orificios es muy pequeño.

e) Goteros autocompensantes: En estos emisores la presión de salida del agua de riego es prácticamente constante a lo largo del ramal gracias a un sistema de regulación de presión que tienen en su interior. Este sistema consiste en una membrana que varía el tamaño del conducto del interior del emisor en función de la presión de la tubería que distribuye el agua de riego [30].

Dentro de este tipo de riego tenemos que hay dos formas de hacerlo, ya sea subterráneo o sobre la superficie.

CAPITULO 5.

[38]

En la figura 5.5, se ilustran ambas formas observándose en el primer caso que el sistema es visible y se monta en la superficie a través de tuberías, y el segundo no es visible y la tubería se encuentra bajo tierra.

Figura 5.5. Ejemplos de riego por goteo en superficie (izquierda) y subterráneo (derecha). [35]

5.3.2 Riego por Tuberías Emisoras.

En este tipo de sistema de riego el agua se conduce a la vez que se aplica por las tuberías emisoras. Para la aplicación de agua con estos sistemas la presión de funcionamiento necesaria es baja (menor a 1Kg/cm2) y su caudal no sobrepasa los 16 l/h. El sistema se caracteriza por la instalación de tuberías emisoras sobre la superficie del suelo creando una banda continua de suelo humedecido y no en puntos localizados como en el riego por goteo. Su uso más frecuente es en cultivos en línea con muy poca distancia entre plantas. Las más utilizadas son las tuberías goteadoras y las tuberías exudantes [27].

a) Tuberías goteadoras o perforadas: Las tuberías emisoras disponen de unos orificios por los que se aplica el agua al cultivo directamente desde el interior de la tubería.

b) Tuberías exudantes: La tubería exudante está fabricada de un material poroso que es atravesado por el agua que circula en el interior de la tubería.

Figura 5.6 .Tuberías emisoras. En la imagen se observa, un ejemplo de tubería exudante que riega toda la tierra, a diferencia del riego por goteo que se encarga de regar solo donde está la planta. [36]

CAPITULO 5.

[39]

5.3.3 Riego por Microaspersión y Micro Difusión.

Este sistema de riego consiste en aplicar agua en forma parecida a una lluvia fina sobre la superficie del suelo o del cultivo. El radio de alcance de estos emisores no suele sobrepasar los 3m. Este sistema de riego localizado consume un mayor caudal que los anteriores (de 16 a 200 l/h) y está considerado como de elevada presión dentro del riego localizado (de 1 a 2 Kg/cm2). La figura 5.7, ilustra cómo estos sistemas de riego, al igual que los sistemas de tuberías emisoras, humedecen no solo el cultivo sino gran parte del suelo a su alrededor. Usualmente el riego por microaspersión y micro difusión es recomendado para cultivos leñosos y herbáceos a distintos marcos de plantación. En este tipo de riego se pueden encontrar dos tipos de emisores [30]:

a) Microdifusores: Los emisores tienen componentes fijos. b) Microaspersores: Cuentan con emisores que poseen algún mecanismo de rotación. c) Microjets: son emisores, que al igual que los Microaspersores, cuentan con mecanismos de rotación.

Figura 5.7. Ejemplo comparativo entre un riego por Microaspersión y uno de tuberías emisoras. [37]

5.3.4 Obstrucciones en los Emisores de Riego Localizado.

Las obstrucciones de los emisores son uno de los mayores problemas del riego localizado. Esto es debido a que los diámetros de los conductos por los que circula el agua de riego son muy pequeños y resulta relativamente sencillo que se depositen partículas en ellos. Las obstrucciones disminuyen el diámetro del emisor y, en ocasiones, cierran totalmente el paso al agua. Esta disminución de diámetro repercute en el rendimiento del cultivo ya que habrá plantas que no reciban toda el agua necesaria para su correcto desarrollo. Además, no todos los emisores presentan el mismo grado de obstrucción, por lo que la uniformidad de aplicación del agua de riego también se verá afectada [26]. Las obstrucciones se pueden clasificar en químicas, físicas y orgánicas, como se ilustra en la figura 5.8. Dado que las obstrucciones físicas se presentan con mayor frecuencia en los sistemas, a continuación se describen con mayor detalle sus características.

CAPITULO 5.

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Figura 5.8. Obstrucciones presentadas en los emisores (tuberías). [38]

Obstrucciones físicas.

Las obstrucciones físicas se producen por la sedimentación de partículas, tanto minerales como orgánicas, que se encuentran en suspensión en el agua de riego. También se consideran obturaciones físicas las producidas por partículas que acceden al emisor desde el exterior [27].

La prevención de este tipo de obturaciones pasa por la instalación de un buen sistema de filtrado en el cabezal de riego, y mantenerlo en buen estado con un adecuado mantenimiento. Para un buen filtrado es necesario que los equipos de filtrado sean adecuados para el tipo y tamaño de partículas que se encuentran en suspensión. Por ejemplo, para la eliminación de las partículas minerales, que son las más comunes si el agua de riego proviene de una acequia, lo más recomendable es un hidrociclón. Para combatir las obstrucciones físicas producidas por organismos (más comunes en agua que proviene de embalses) lo más conveniente es la instalación de un filtro de arena, como se describe en el tema 5.4.2 [25].

5.4 ELEMENTOS DE FILTRADO.

En un sistema de riego localizado, el principal problema que se tiene es el taponamiento de los emisores con partículas orgánicas e inorgánicas, como se menciono anteriormente, lo cual provoca una mala distribución del agua en la tubería, lo que hace necesario un sistema que filtre adecuadamente las partículas [27].

CAPITULO 5.

[41]

Para evitar los taponamientos existen elementos de filtrado que se dividen en dos grandes grupos: los de prefiltrado, que eliminan las partículas más gruesas, y los de filtrado, que eliminan el resto de partículas que pueden ocasionar problemas de obstrucciones en la instalación.

5.4.1 Prefiltrado.

Estos filtros pueden estar antes o después de la bomba y son utilizados en el tratamiento del agua contaminada con sólidos. Usualmente, cuando la fuente de abastecimiento es un rio o un canal que tiene en suspensión partículas gruesas, es necesario retirarlas antes de que lleguen a la bomba, para estos casos se utilizan una o varias mallas metálicas consecutivas, dependiendo de la situación en particular [4]. Dentro de los equipos de prefiltrado se pueden incluir dos sistemas de eliminación de las partículas más gruesas: depósitos de decantación y desbaste.

a) Depósitos de Decantación.

Eliminan las partículas en suspensión por sedimentación de éstas en el fondo de un depósito en el que se deja el agua durante cierto tiempo. Este sistema es útil para aguas con gran cantidad de materia inorgánica suspendida (por ejemplo: arenas, arcilla, etc.) o para aguas muy ricas en hierro, sobre todo subterráneas, ya que el hierro se oxida al airearse el agua durante su entrada en el depósito [4].

b) Dispositivos de Desbaste.

Estos dispositivos se utilizan en aguas con muchas partículas gruesas. Consisten en una malla que se coloca perpendicularmente al flujo del agua, de forma que los elementos de mayor tamaño quedan retenidos en ellas. En el mercado aparecen dispositivos de este tipo con distinto grado de sofisticación [27].

5.4.2 Filtrado.

Los dispositivos de filtrado se utilizan para eliminar el mayor número posible de partículas que puedan obstruir los emisores. Se utiliza regularmente después de la fertirrigación. Hay varios tipos de equipos de filtrado en el mercado. Algunos de los más comunes en las instalaciones de riego localizado son:

a) Hidrociclón.

El Hidrociclón es un sistema de filtrado adecuado para la eliminación de las partículas minerales (arenas) que se encuentran en el agua circulante. Consiste en un cuerpo cilíndrico que recibe el agua por un lateral y le imprime un movimiento de giro. El agua gira mientras desciende por el cuerpo troncocónico del hidrociclón. Las partículas en suspensión, al ser más pesadas que el agua, son proyectadas contra las paredes del filtro y caen en un depósito inferior. El agua asciende por la parte central y sale por la parte superior [30]. La figura 5.9 ilustra la estructura de un hidrociclón.

CAPITULO 5.

[42]

Figura 5.9. Esquema del funcionamiento del hidrociclón. [39]

b) Filtros de Arena.

Los filtros de arena son efectivos para eliminar las partículas orgánicas (algas, bacterias) que se encuentran en el agua de riego. Este filtro está compuesto por un depósito metálico (o plástico reforzado) lleno de arena o grava de un determinado tamaño. El agua entra al depósito por la parte superior y atraviesa la arena, de forma que las partículas quedan retenidas por ésta. La salida del agua se encuentra en la parte inferior. La arena tiene que ser de tamaño igual al paso del agua por el emisor, para filtrar todas las partículas mayores o iguales a este paso, que podrían causar obstrucciones. Estos filtros tienen la ventaja de que pueden retener una gran cantidad de partículas antes de ser limpiados [30]. La figura 5.10 ilustra la estructura de un filtro de arena.

Figura 5.10. Filtro de arena. [40]

CAPITULO 5.

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c) Filtros de Malla.

Los filtros de malla están formados por un cuerpo metálico cilíndrico que contiene en su interior un soporte perforado recubierto con una malla de orificios de tamaño variable. El soporte puede ser metálico o de plástico y la malla suele ser de acero inoxidable (también de nylon). El tamaño del orificio de paso del agua por la malla ha de ser como máximo 1/10 del tamaño del conducto del emisor en goteo y 1/5 en microaspersión. De esta forma, el filtro retendrá la mayor parte de las partículas que podrían obstruir el emisor. Son muy eficientes para las partículas orgánicas como algas e insectos, pero también se puede utilizar con las partículas minerales (arena) [30].

Figura 5.11. Filtro de malla. [40]

Figura 5.12. Sistema de riego dentro de un invernadero. [40]

En la figura 5.12 Se observa un sistema ya armado de riego por goteo con los elementos para control (bombas, válvula). Vemos como en los emisores (tubería) cuenta solo con un pequeño orificio para regar la planta o el cultivo.

CAPITULO 6.

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LABVIEW En este capítulo se tratara el software para la adquisición de datos del sistema de control y monitoreo que se implemento en el invernadero de SAGARPA. Labview es una herramienta poderosa de instrumentación virtual para test, diseño e instrumentos. Una importante característica es su lenguaje de programación, llamado lenguaje G, que hace referencia a un lenguaje grafico, en el que el texto no es usado como en el caso de Visual Basic, C#, C++, etc., por mencionar algunos. Los instrumentos virtuales (Vis) tienen bloques con características y funciones específicas que cuando se unen pueden crear programas muy simples o realmente complejos acorde a las necesidades del usuario [58]. La programación con Labview es muy fácil, tanto que, como personas con poco conocimiento en programación pueden crear fácil y rápido, programas que en otro lenguaje pudieran tener dificultades para desarrollarlos. Además, Labview cuenta con un gran número de bloques prediseñados que le permiten al usuario incluirlos en sus proyectos para mejorar el diseño y la interacción con el usuario. Labview parte del concepto de programación orientada a objeto (OOP); muchos de los lenguajes OOP son secuénciales, mecanismos que coinciden con el procedimiento usual de llamada a subrutina y retorno. Siendo la característica intrínseca de los sistemas de medida en tiempo real, elegir un lenguaje concurrente (LabVIEW) donde los objetos en tiempo real (Real Time Objects) se comuniquen con otros, mediante mensajes asíncronos. Así los objetos son modelados como maquinas de estados finitos que evolucionan a través de un conjunto de fases, donde en cada momento solo habrá una función operativa [41]. Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. Ahora está disponible para las plataformas Windows, UNIX, MAC y Linux, actualmente está la versión 10.0 el cual es compatible con Windows Seven[41]. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de su uso en origen: el control de instrumentos. Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Test, Control y Diseño) y el permitir la entrada a la informática a programadores no expertos. Esto no significa que la empresa haga únicamente software, sino que busca combinar este software con todo tipo de hardware, tanto tarjetas - propias de adquisición de datos, PAC, Visión, y otro Hardware como de otras empresas. Principales usos: Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como:

• Adquisición de datos • Control de instrumentos • Automatización industrial o PAC (Controlador de Automatización Programable) • Diseño de control: prototipo rápido y hardware • Diseño Embedded

Su principal característica es la facilidad de uso, tanto para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación, pueden hacer programas relativamente complejos. Presenta facilidades para el manejo de:

CAPITULO 6.

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Interfaces de comunicaciones:

• Puerto serie • Puerto paralelo • Puerto USB • GPIB • PXI • VXI • TCP/IP, UDP, DataSocket • Irda • Bluetooth • OPC • Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: • DLL: librerías de funciones • .NET • ActiveX • MultiSim • Matlab/Simulink • AutoCAD, SolidWorks, etc • Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. • Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. • Adquisición y tratamiento de imágenes. • Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior). • Tiempo Real estrictamente hablando. • Programación de FPGAs para control o validación. • Sincronización entre dispositivos.

6.1 PROGRAMA LABVIEW. Es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se grafican, facilitando su comprensión [41]. El entorno de programación de Labview se divide en Panel Frontal y Diagrama de bloques. El Panel Frontal es el interfaz con el usuario, en él se definen los controles e indicadores que se muestran en pantalla. El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada función y se interconectan los diferentes Vis de la herramienta y los creados por el usuario. 6.1.1 Panel Frontal y Diagrama a Bloques. El panel frontal de un VI es una combinación de controles e indicadores. Los controles son aquellos elementos que entregan datos al diagrama en bloques desde el panel frontal por entrada desde teclado o con el mouse, simulan los dispositivos de entrada de datos del VI y pasan los datos al diagrama en bloque del VI. Los indicadores son aquellos elementos que entregan datos al panel frontal desde el diagrama en bloques para ser visualizados en el display, simulan los dispositivos de salida de datos del VI que toman los datos desde el diagrama en bloque del VI [41]. Para adicionar controles o controles que se encuentra en una ventana flotante y a la cual se accede a través de accionar el botón derecho del ratón sobre el panel frontal. A los controles e indicadores se les puede cambiar el tamaño, la forma, y la posición, además cada control o indicador tiene un pop-up menú en el cual se pueden cambiar varios atributos o seleccionar diferentes opciones.

CAPITULO 6.

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Los controles:

Figura 6.1. Los controles simulan dispositivos de entrada por medio de los VI.

Los indicadores:

Figura 6.2. Los indicadores muestran datos en el panel frontal del diagrama a bloques para ser simulados los dispositivos de salida de datos del VI.

En la siguiente figura podemos observar un proceso que es a partir del panel frontal que es la opción para el usuario.

Figura 6.3. Ejemplo del panel frontal en labview.

En la siguiente figura es un ejemplo de un programa en el diagrama a bloques que es la parte del programador para realizar los programas.

CAPITULO 6.

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Figura 6.4. Ejemplo de diagrama en bloques de LAbVIEW.

6.1.2 Tipos de Datos en LabView. Tipos de Datos

Tabla 6.1. Tipos de datos en labview

En la siguiente figura se muestra la representación de los distintos tipos de datos en labview.

CAPITULO 6.

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Figura 6.5. Distintos tipos de datos en labview.

En la siguiente figura se observan las variables locales. Estas variables permiten hacer lecturas y escrituras sobre el control o indicador al cual está asociado.

Figura 6.6. Variables locales en labview.

6.2 INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL. Un instrumento virtual es un modulo de software que simula el panel frontal apoyándose en elementos hardware accesibles por el computador (tarjetas de adquisición, instrumentos accesibles vía GPIB, VXI, RS-232, USB, Ethernet), realiza una serie de medidas como si se tratase de un instrumento real [41]. Cuando se ejecuta un programa que funciona como instrumento virtual o VI, el usuario ve en la pantalla de su computadora un panel cuya función es idéntica a la de un instrumentó físico, facilitando la visualización y el control del aparato.

CAPITULO 6.

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A partir de los datos reflejados en el panel frontal, el VI debe actuar recogiendo o generando señales, como lo haría su homologo físico. El control de instrumentación por computadora no resulta nuevo; incluso el uso de la computadora en sistemas de medida se usaba en los setenta mediante la interface de bus IEEE 488 o GPIB (General Purpose Interface Bus). Pero ha sido en los noventa cuando los procesadores de 16 y 32 bits se han incorporado a equipos accesibles, consiguiendo altas velocidades y grandes capacidades de memoria. Esta popularización de computadoras de altas prestaciones ha traído consigo un fuerte desarrollo de potentes software que simplifican la creación de aplicaciones. 6.3 USANDO THE CALL LIBRARY NODE PARA LLAMAR DLLS. Se observara a detalle los pasos más comunes que se puede usar cuando se necesita llamar a un código externo: cuando proviene en la forma DLL. Los DLL son pequeñas librerías que compilan librerías de archivos .dll que encapsulan algunas funcionalidades y exportan un set de funciones que otras aplicaciones (como LabView) pueden llamar. Usualmente, se necesita una buena documentación que tenga la información de DLL para que se pueda usar de manera eficiente la información, porque se necesita saber que funciones son y cómo debe ser procesado el dato de esas librerías [41]. DLL tiene las siguiente ventajas:

1. Puedes modigicas los DLL sin camibar el link de Vis al DLL. 2. Prácticamente todo el ambiente moderno de desarrollo proporciona soporte para crear los

DLL, mientras Labview solo soporta un subconjunto de ambientes de desarrollo para crear los CIN ( Code Interface Node).

En el siguiente Capitulo XII se describe la forma en que se configuran los DLL de Microchip:

1. Configuración de Call Library Function Node. 2. Construcción de un Shared Library. 3. Llamar un external APIs 4. Depuración de DLLs. 5. Opciones de arreglos y string

6.4 INTERNET CON LABVIEW. Es indiscutible que el Internet está presente, cada vez más, en muchas de las acciones diarias de nuestra vida. Particularmente este hecho nos afecta a investigadores e ingenieros de forma directa debido a que encontramos en Internet un estándar a nivel mundial de muy bajo costo por el cual podemos distribuir todo tipo de información. La gran mayoría de las aplicaciones actuales recoge, analiza, procesa y visualiza los datos en una misma máquina, esta ideología actualmente ya está cambiando, ahora la adquisición de datos ya no se realiza únicamente en el PC, sino que existen sensores inteligentes que recoge información y se conectan directamente a la red Ethernet convirtiéndose en un punto de medida remoto el cual vamos a conectar y a importar esos datos a nuestra aplicación. Las ventajas de montar aplicaciones distribuidas es el hecho de poder aprovechar las diferentes características de diferentes maquinas o plataformas de manera que podamos procesar información en una maquina más poderosa y quizás visualizar resultados en otras cuyas características sean más limitadas. Es ya un hecho que en un alto porcentaje de empresas la red Ethernet es una herramienta común entre muchas otras, así que tenemos que utilizarla igual que se utiliza para otros quehaceres.

CAPITULO 6.

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6.4.1 Protocolo TCP-IP. En el mundo de las telecomunicaciones cada vez es más importante comunicarnos (transmitir datos) a sistemas, independientemente de su localización. Los protocolos son una serie de normas que definirán como se debe realizar la transmisión y recepción de información. Con el protocolo TCP-IP (Transmission Control Protocol) podemos interconectarnos con equipos que se encuentran fuera de nuestra red local. Es decir, podemos conectarnos con cualquier equipo que también esté conectado a Internet y que tenga una dirección IP. Una vez estemos conectados con ese equipo, podremos transmitir todo tipo de información (correo electrónico, documentos, daos de cualquier instrumento de medida, etc.). 6.4.2 Dirección IP. La dirección IP es la dirección de nuestro equipo dentro de Internet. Algo similar seria la dirección de nuestro domicilio; gracias a ella nos puede llegar una carta desde cualquier parte del mundo a nuestro buzón sin ninguna confusión, ya que no existen dos iguales en todo el mundo. La dirección IP es lo mismo pero en Internet, donde la dirección IP identifica nuestro equipo (el buzón de nuestra casa) dentro de toda la red (el mundo). La dirección IP está formada por 32 bits agrupados en 4 bloques de un byte cada uno y según las normas del protocolo IP la dirección IP se puede clasificar de cuatro formas diferentes.

Tabla 6.2. Tipos de clases de direccionamientos IP.

En la práctica, la notificación utilizada tiene una estructura como la mostrada a continuación: 147.83.4.32, donde los dos primeros bytes definen el dominio (red o subred) y los dos últimos definen el terminal.

6.4.3 Protocolo UDP.

El protocolo UDP (User Datagram Protocol) al contrario que el TCP-IP está más enfocado a trabajar con redes de ámbito local, su filosofía de trabajo es similar al de TCP-IP, pero con la diferencia de que UDP no está orientado a conexión, la información se envía a la red y eso son los computadores destino los que se preocupan de recoger la información. La forma que tiene de diferenciar los distintos tipos de información a enviar por el servidor es a través de los diferentes puertos. Por tanto, utilizaremos los puertos para diferenciar el tipo de información a transmitir y al sistema de este destinado. El protocolo UDP nos permite enviar datos a la red dirigidos a un único receptor a varios receptores. Cuando la información se envía a un solo receptor especificamos su dirección IP que va a ser única y que diferencia a este cliente de los demás. Cuando deseamos que la información sea recogida por varios receptores podemos utilizar direcciones IP del tipo multicast en el rango de 244.0.0.0 a 239.255.255.255.

CAPITULO 6.

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6.5 DATA SOCKET. Las librerías de DataSocket nos van a ahorrar programación en el momento de publicar y compartir los datos que generan nuestra aplicación en Labview a través de la red. Mediante el DataSocket nos vamos a ahorrar todos los pasos que tenemos que realizar cuando implementamos una comunicación basada directamente sobre TCP/IP que son: • Elección de un puerto en el PC servidor (esperando que dicho puerto no sea utilizado por otra aplicación). • Configuración el servidor al escuchar de una petición de conexión por el puerto elegido. • Programación de la conversión necesaria de los datos para poder enviarla a través de la red. • Programar todo el manejo de errores que se pueden dar en la comunicación. • Configuración del cliente para realizar la conexión el PC servidor por el puerto indicado. • Programar la conversión de los datos que nos llegan a través de la red en el cliente con la complicación de lo que ello a veces supone. Mediante DataSocket los pasos a seguir para establecer una comunicación serán: • En el servidor, abrir una conexión DataSocket utilizando un nombre que identifica los datos a transmitir. • Escribir los datos en la conexión DataSocket cada vez que los datos se actualicen. • En el cliente, únicamente es necesario conocer el nombre del PC (dirección TCP/IP) donde se publican los datos y realizar la lectura de los datos de interés. El manejo del protocolo lo realiza la aplicación DataSocket SERVER que es la que se va a encargar de servir los datos que nosotros queramos publicar. Los elementos que intervienen en una comunicación de este tipo son: • El que publica: aplicación donde se genera los datos a compartir. • El que suscribe: aplicación que importa los datos desde otra aplicación. • DataSocket SERVER: aplicación que sirve los datos que son publicados para las aplicaciones que quieren acceder a ellos.

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Figura 6.7. Cada una de las aplicaciones puede estar en maquinas diferentes y sobre plataformas diferentes [55].

Otra configuración podría ser que DataSocket SERVER estuviera instalado en una de las maquinas que publica datos.

Figura 6.8. Protocolo DSTP (DataSocket transfer protocolo) [55].

6.6 PUBLICACIÓN EN WEB Una de las herramientas de Labview es publicar en la Web. Labview incorpora un servidor web que nos permitirá publicar cualquier tipo de documento, así como paneles frontales de VI’s que se estén ejecutando de manera que podamos monitorizar el estado de diversas variables de cualquier aplicación, desde cualquier terminal que tenga acceso a Internet, en cualquier parte del mundo. Existen dos tipos para poder publicar con Labview, que son: • Web Publishing Tool: web server. • VI server.

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6.6.1 Web Publishing Tool: Web Server. Es una herramienta que incorpora Labview y que permite crear una sencilla pagina web que estará compuesta por un titulo, párrafo de texto, imagen del panel frontal de nuestra aplicación para poder controlar y monitorizar a distancia la aplicación o bien el panel frontal real de nuestra aplicación para poder controlar y monitorizar a distancia la aplicación utilizando un navegador http. Esta herramienta está disponible en el menú Tool de Labview en la opción Web Publishing Tool.

Figura 6.9. Herramienta para Web Publishing.

En la figura 6.9 se observa la ventana de dialogo que nos permite configurar la creación de un archivo HTML con los elementos comentados antes. Hay tres campos donde configuramos el titulo del documento y la posibilidad de escribir dos párrafos de texto (la cabecera y el pie de página). Se tiene la opción de enmarcar la imagen del panel frontal (Border) y la de configurar como se mostrara el panel frontal: Snapschot, Monitor o Embedded. Mediante las opciones de Sanpshot o Monitor aparecerá en la página web creada una captura de pantalla de panel frontal, es decir, una imagen estática que puede ir refrescándose para ver las actualizaciones de los valores. Algo interesante y potente es la posibilidad de controlar los controles del panel frontal desde el propio navegador, opción Embedded. Esta es la opción más pesada porque el envío de información a través de la red va a ser mayor, pero permite controlar y monitorizar la aplicación en Labview vía web sin tener que programar. Para poder utilizar esta opción es necesario instalar en el computador cliente el Labview Run-Time Engine, que es el toolkit de libre distribución que nos permitirá utilizar tanto archivos ejecutables como controlar nuestro programa desde el navegador web remoto.

CAPITULO 6.

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Ya realizadas estas configuraciones se lanzara el servidor web mediante el botón Start Web Server y salvar el documento htm mediante el botón Save to Disk. Para visualizar el archivo, en el campo de dirección se escribe la dirección web. Se debe tener una cuenta que a la hora de publicar el panel frontal como una imagen, mediante las opciones de Sanpshot lo que se mostrara en la red es una imagen. Con esta configuración hemos convertido el panel frontal de la aplicación en un archivo HTML que se actualiza de forma periódica y se puede visualizar desde cualquier explorador web. De esta manera aunque el VI no se esté ejecutando pero si este activo, el servidor web, se accede a esta página web con los últimos resultados. 6.6.2 VI Server. Mediante Vi Server se tienen resultados bastantes similares que con Web Publishing Tool. En este caso lo que vamos a publicar va ser directamente nuestro VI que se está ejecutando en ese instante. Mediante la configuración, se puede escoger que Vis van a ser publicados o publicar todos los que en ese momento estén en ejecución. También podremos configurar que maquinas pueden conectarse al servidor web y cuales pueden conectarse. Los pasos para publicar van a ser los siguientes y van a consistir en la configuración de los siguientes apartados: • En Options dentro del menú Tools de Labview. En la pestaña de Web Server Configuration habilitamos el servidor web (ver figura).

Figura 6.10. Configuración del Web Server.

CAPITULO 6.

[55]

Una vez habilitado el servidor web, las opciones por defecto son que se publican todos los VI´s que se ejecutan y cualquier maquina puede tener acceso a ellos. Para modificar estas opciones se accede al VI Server: Exported Vis para especificar los Vis a publicar (el <<*>> significa todos), y a VI Server: TCP/IP Access para especificar que maquinas pueden tener acceso. La visualización en el navegador se realiza de dos maneras diferentes:

• Una Captura estática: .snap? • Una captura con refresco: .monitor?

Una vez en el navegador se coloca en el campo dirección http://nombre_del_pc/.snap?nombre_del_vi.vi para una única captura, y http://nombre_del_pc/.monitor?_del_vi.vi para una actualización periódica de los datos. En esta opción a diferencia de la anterior solo se visualiza el panel frontal sin poder añadir ningún título o comentario a la página. Para verificar que el servidor web está bien configurado, LabVIEW publica una página de ayuda una vez que esta activado el servidor. A esta página accedemos colocando su dirección IP, el nombre del PC desde nuestra maquina http://localhost o mediante su dirección IP asociada http://127.0.0.1.

CAPITULO 7.

[56]

HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS.

7.1 COMUNICACIÓN USB ENTRE LABVIEW Y UN MICROCONTROLADOR.

En el presente capitulo se describen la selección, las características, elementos y funciones necesarias para el desarrollo del hardware de adquisición de datos propuesto en este proyecto.

Además, se describe la metodología para la comunicación entre una aplicación desarrollada en LabView y una interface desarrollada con el microcontrolador PIC18F4550 de Microchip. Las herramientas, conceptos y tecinas presentadas, proporcionan una solución práctica para adquirir y enviar cantidades masivas de información con una velocidad máxima posible de hasta 12Mb/s.

Uno de los motivos por el cual se diseño esta TAD es que en el invernadero necesitamos medir las variables correspondientes para tomar la toma de decisiones, la ventaja es que en las instalaciones contamos con PCs, esto permite aprovechar las ventajas de las tecnologías de la computación más recientes. LabView surge como una plataforma de desarrollo que explota todas esas ventajas, implementando programación grafica, diseñado para desarrollar aplicaciones de prueba, control y medidas. [48]

Un programa de LabView consiste en uno o más Virtual Instruments (VIs) [49]. Los instrumentos virtuales son llamados así porque su apariencia y operación a menudo imitan un instrumento físico. Sin embargo, atrás de las escenas hay programas principales, funciones y subrutinas de lenguajes de programación como C o Basic. Se hará referencia a un programa de LabView como VI [48].

La técnica de instrumentos virtuales mediante tarjetas de adquisición de datos, es cada vez más utilizada en la industria. Esta metodología consiste en emplear paneles de control en computador, permitiendo la supervisión en tiempo real de las variables del proceso (Temperatura, humedad, luminosidad, etc.) y controlar actuadores (válvulas, termo resistencias, motores, etc.).

Estos VIs brindan al usuario una gran flexibilidad de operación debido a que no requieren de ningún elemento de hardware adicional para implementar a nivel de software complicados procesos de control, simulación y supervisión.

Una característica de la mayoría de las implementaciones actuales para obtención de datos basados en las funcionalidades de LabView es el requisito operativo de emplear exclusivamente tarjetas de adquisición de datos (DAQ) que desarrolla la empresa National Instrument. Estas TAD generalmente son muy costosas y de uso limitado, esto es, que no pueden utilizarse con ningún otro software. Dichas características, el costo principalmente, resultan limitantes para la utilización de estos equipos en proyectos con presupuestos reducidos.

Considerando esta problemática, se presenta en este proyecto la metodología y técnicas para el diseño del hardware de adquisición de datos mediante un microcontrolador PIC18F4550, con la capacidad de establecer comunicación vía USB y aplicaciones desarrolladas en LabView.

CAPITULO 7.

[57]

7.2 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS.

Una de las partes más importantes del proyecto se orienta a determinar cómo se puede obtener o generar información de manera automática, desde recursos analógicos y digitales (como sensores, actuadores, dispositivos). En este contexto, se analizará la manera más eficiente de obtener datos de temperatura, humedad relativa y luminosidad para enviarlos a la computadora por medio de un módulo de Adquisición de Datos, para visualizar el estado de las variables por medio del software desarrollado en LABVIEW, para poder controlar y monitorear las variables del proceso.

Las ventajas del sistema de adquisición de datos son: flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores, gran capacidad de almacenamiento, rápido acceso a la información y toma de decisión, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización, etc.

Y sus usos son variados dependiendo del tipo de aplicación que se le va a dar, entre los más comunes destacan los siguientes:

a) Todo tipo de industrias. d) Bancos y Hospitales. e) Agroindustrias. f) Laboratorios de Medición y Pruebas. g) Control de Calidad. h) Detección de Fallas. i) Control de máquinas. j) Control de producción. k) Automatización. l) Aeroespacial. m) Nanotecnología. n) Biotecnología.

De forma general, se puede definir a la Adquisición de Datos, como un proceso de sensar y recolectar información del mundo real [1]. En otras palabras, consiste en tomar un conjunto de variables físicas, convertirlas en voltajes y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Para esto, se requiere una etapa de acondicionamiento que adecue la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital (CAD). El elemento que hace dicha transformación es el transductor del módulo de Adquisición de Datos. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos dentro de la memoria del PC, para que puedan ser procesadas con un programa de aplicación para que puedan ser archivadas en disco duro, graficarlas en pantalla, imprimirlas, o manipular las variables desde Internet, u otras aplicaciones. El transductor o sensor, es el dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica proporcional a la señal de entrada y medible, tal como la tensión eléctrica, el cambio de valores de resistencia, etc. [45] De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica, en este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que requiere el usuario y luego de procesada es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores.

CAPITULO 7.

[58]

En general, cuando se habla de un sistema de adquisición de datos, se pueden identificar seis partes o elementos principales: el fenómeno físico a medir, sensor, conectividad, acondicionamiento de señal, conversión analógica – digital y computadora.

Las características y funciones de cada uno de estos elementos determinan en gran parte el adecuado desempeñó del sistema.

Figura 7.1.Proceso de adquisición de datos. [50]

A continuación se presentan de manera general algunas de las características y funciones más sobresalientes de un sistema de adquisición de datos:

• Especificaciones de las entradas analógicas. • Número de canales. • Velocidad máxima de muestreo. • Resolución de datos. • Mecanismos de muestreo de las entradas analógicas. • El bus de comunicación con la PC. • El aislamiento eléctrico del dispositivo. • Software controlador o driver para comunicarse con el equipo.

7.2.1 Diseño del Hardware de Adquisición de Datos.

Con el propósito de lograr un sistema automatizado de control completo, fue necesario implementar la instrumentación necesaria para obtener las señales de salida en la computadora, de los sensores de temperatura, humedad y luminosidad. En esta sección se presentan los detalles del diseño y construcción de la tarjeta de adquisición de datos, que se empleó como interfaz para hacer la comunicación entre los transductores utilizados y la PC, para que puedan ser entendidos por la plataforma LabView. Se presentan en particular detalles de diseño del circuito, la programación del microcontrolador, el tipo de driver utilizados para la comunicación USB con la computadora y el desarrollo para la comunicación con LabView. Las características y funciones que se pretenden obtener con el diseño y desarrollo del hardware del sistema de adquisición de datos son los siguientes:

• Conexión del microcontrolador PIC 18F4550 a la PC. • Comunicación por el puerto USB. • CAD de 10 bits integrado.

CAPITULO 7.

[59]

• Monitorear y controlar las variables de temperatura, humedad y luminosidad por medio de

la plataforma LabView.

Para realizar y obtener las características y funciones anteriores fue necesario emplear diversos dispositivos electrónicos como: microcontrolador, convertidores de señal analógica a digital, opto acopladores, amplificadores operacionales, reguladores, etc. Estos dispositivos se agruparan y conectaran por módulos, con la finalidad de facilitar el diseño y dividir las funciones anteriores.

7.2.2 Microcontrolador PIC 18F4550.

Una de las etapas más importantes dentro del sistema es la referente al microcontrolador, ya que, por decirlo de algún modo es el puente de comunicaciones entre el mundo real y el mundo digital. Y es el que efectúa las transiciones para realizar el control. Como se ha venido comentando se eligió el microcontrolador PIC18F4550 fabricado por Microchip, a continuación se describirán las características más notables de este microcontrolador.

En los últimos años, Microchip ha lanzado varias gamas de PIC con elevadas presentaciones, los PIC18, los PIC24 y los dsPIC. Con la gama alta (PIC18), Microchip mantiene la arquitectura básica que tan buenos resultados ha obtenido con la gama baja y media y, además, reduce las limitaciones de estas dos últimas. Los PIC18 tienen una arquitectura RISC avanzada Harvard con 16 bits de bus de programa y 8 bits de bus de datos y 40 pines, ver figura 7.2. Entre las características es que cuentan con 77 instrucciones, hasta 3968 bytes de RAm y 1Kbytes de EEPROM, una frecuencia de 40MHz, múltiples fuentes de interrupción [45].

Figura 7.2.Arquitectura PIC18. [47]

Podemos comparar las características de los PIC de gama alta, ver figura 7.3.

CAPITULO 7.

[60]

Figura 7.3. Características del la familia PIC18. [51]

Figura 7.4. Diagrama a bloques. [47]

CAPITULO 7.

[61]

a) Organización de la Memoria.

El PIC18F4550 dispone de las siguientes memorias: [45]

• Memoria del programa: memoria flash interna de 32,768 bytes. Almacena instrucciones y constantes/datos. Puede ser escrita/leída mediante un programador externo o durante la

ejecución del programa mediante unos punteros. • Memoria RAM de datos: memoria SRAM interna de 1.536 bytes en la que están incluidos

los registros de función especial. Almacena datos de forma temporal durante la ejecución del programa. Puedes ser escrita/leída en tiempo de ejecución mediante diversas

instrucciones. • Memoria EEPROM de datos: memoria no volátil de 256 bytes.

Almacena datos que se deben conservar aun en ausencia de tensión de alimentación.

Puede ser escrita/leída en tiempo de ejecución a través de registros. Pila: bloque de 31 palabras de 21 bits. Almacena la dirección de la instrucción que debe ser ejecutada después de

una interrupción o subrutina. • Memoria de configuración: memoria en la que se incluyen los bits de configuración (12

bytes de memoria flash) y los registros de identificación (2 bytes de memoria de solo lectura).

b) Memoria de datos.

Los PIC18 tienen hasta un total de 4Kbytes agrupados en 16 bancos, con 256 bytes cada uno. Como en el resto de las gamas, existen los registros de propósito general GPR y los registros especiales SFR; estos últimos se sitúan en la zona más alta (desde F00h hasta FFFh).[45]

El PIC18F4550 dispone de una memoria RAM de datos 1.536 bytes (6 bancos de 256 bytes). Además dispone de 126 bytes dedicados a los registros de función especial (SFRs) situados en la parte más alta del banco 15, ver figura 7.5. [45]

Para acceder a un byte de la memoria RAM de datos primero se debe seleccionar el banco al que pertenece el byte mediante el registro de selección de banco (BSR) y, a continuación, direccionar el byte dentro del banco. Además existe una modalidad de acceso rápido a las 126 posiciones de la parte baja del banco 0 y a los 126 bytes de SFR (banco de acceso rápido).

CAPITULO 7.

[62]

Figura 7.5. Memoria RAM PIC18F4550. [51]

La memoria RAM de los datos se compone de registros de propósito general (GPRs) y de registros de función especial (SFRs). Los SFRs son los registros mediante los cuales se pueden monitorizar/controlar el funcionamiento de la CPU y de las unidades funcionales del PIC. En el PIC18F4550 se sitúa en el bloque de memoria de 0xF80h a 0xFFF. Se distinguen dos conjuntos de SFRs: [45]

SFRs asociados con el núcleo del PIC:

CPU: WREG, STATUS, BSR, etc.

Interrupciones: INTCON, PIE1, PIR1, IPR1, etc.

Reset: RCON.

CAPITULO 7.

[63]

SFRs asociados a las unidades funcionales:

Timers: T0CON, TMR1H, TMR1L, T1CON, etc.

Convertidor A/D: ADRESH, ADRESL, ADCON0, ADCON1, etc.

EUSART: TXREG, TXSTA, RCSTA, etc.

CCP: CCPR1H, CCPR1L, CCP1CON, etc.

MSSP: SSPSTAT, SSPDATA, SSPCFG, etc.

Puertos de E/S: TRISA, PORTA, TRISB, PORTB, etc.

Unidades funcionales más importantes:

Puerto de E/S Unidad de Comparación/Captura/PWM mejorada (ECCP) Temporizador 0 Canal de comunicación serie EUSART Temporizador 1 Canal de comunicación seria MSSP Temporizador 2 Modulo analógico de comparación Temporizador 3 Canal de transmisión de datos en paralelo (SSP) Convertidor A/D Acceso a memoria externa (EMA)

Unidad de Comparación/Captura/PWM (CCP) Tabla 7.1.Unidades funcionales. [45]

Conociendo la estructura del microcontrolador, se procede a averiguar con que ventajas contamos y con qué limitantes nos encontramos, con el fin de saber el alcance del hardware de adquisición de datos. Básicamente se usaron algunos pines del puerto A, ya que encontramos la mayoría de los convertidores analógico – digital y estos se usan como entradas de los sensores usados, obviamente también se usan los puertos de alimentación, que cabe recalcar que la alimentación del hardware es únicamente por el puerto USB, se retroalimenta desde la computadora. También se usó el puerto D correspondiente al LCD y algunos puertos para las salidas a los actuadores. Y elementalmente los pines 4 y 5 del puerto C para la comunicaciones bulk transfer por USB. Que posteriormente se describirá.

La ventaja del dispositivo es que soporta comunicación vía USB, es decir, incluye un controlador USB interno necesario para conectarse con la computadora, sin necesidad de pull-ups o circuitería externa [2]. En la figura 7.6, se observa la estructura interna del controlador de periférico USB.

CAPITULO 7.

[64]

Figura 7.6. Estructura interna del controlador. [51]

c) La gestión de los puertos.

Los microcontroladores PIC tienen terminales de entrada/salida divididos en puertos , que se encuentran nombrados alfabéticamente A, B, C, D, etc. Cada puerto puede tener hasta 8 terminales que, de forma básica, se comportan como una entrada/salida digital. Según las características del PIC, cada puerto puede tener, además, asignado un bloque funcional: convertidor AD, USART, I2C, USB, etc. [45]

Figura 7.7.Carateristicas de la familia PIC18F45XX. [51]

CAPITULO 7.

[65]

Como se muestra en la figura 7.7, en la familia PIC18F45XX, pueden llegar hasta 5 puertos en el PIC18F4550 donde se pueden encontrar bloques de TIMERS, CCP, MSSP, USART, PSP, USB, CAD. Estas unidades funcionales optimizan el rendimiento del PIC ya que estas unidades trabajan en paralelo a la CPU permitiendo que ésta se centre en otras tareas como el procesado de datos, cálculos, movimiento de datos, etc.

Puerto Líneas de Entrada/Salida PORTA 7 LINEASDE ENTRADA/SALIDA PORTB 8 LINEAS DE ENTRADA/SALIDA PORTC 6 LINEAS DE ENTRADA/SALIDA + 2 LINEAS DE ENTRADA PORTD 8 LINEAS DE ENTRADA/SALIDA PORTE 3 LINEAS DE ENTRADA/SALIDA + 1 LINEA DE ENTRADA

Tabla 7.2.Lineas de entrada/salida. [4]

Considerando a los puertos como entrada/salida digitales, los puertos se caracterizan por ser independientes, es decir, se puede programar cada terminal del puerto para que se comporte como una entrada o una salida digital. Todas las líneas digitales de E/S disponen, como mínimo de una función alternativa asociada a alguna circuitería especifica del PIC. Cuando una línea trabaja en el modo alternativo no puede ser utilizada como línea digital de E/S estándar, ver figura 7.8.

Figura 7.8. Funciones alternativas del PIC18F4550. [52]

Cada puerto de E/S tiene asociado 3 registros:[46]

• Registro TRIS: mediante este registro se configura cada una de las líneas de E/S del puerto como ENTRADA (bit correspondiente a ‘1’) o como SALIDA (bit correspondiente ‘0’).

• Registro PORT: mediante este registro se puede leer el nivel del pin de E/S y se puede establecer el valor del latch de salida.

• Registro LAT: mediante este registro se puede leer o establecer el calor del latch de salida.

CAPITULO 7.

[66]

d) Convertidor Analógico-Digital.

Es esta etapa de adquisición de datos se empleara un sistema que contendrá hasta 9 canales analógicos, por medio del microcontrolador, el sistema de digitalización tendrá la capacidad de enviar la información digitalizada a la PC como a un modulo de display LCD.

No se explicara a detalle la técnica con la que opera el ADC del microcontrolador, pero si se indicara que es lo que hace el ADC, saber cómo está trabajando internamente el componente.

Figura 7.9. Esquema del convertidor analógico-digital. [52]

Un ADC se encarga de convertir un valor analógico de voltaje a su correspondiente combinación binaria. Para realizar esta operación se requiere de un sensor, que es el encargado de leer el estado de una variable física de naturaleza analógica y de representar el valor de dicha variable en su apropiado valor de voltaje. En la actualidad existen muchas variables analógicas que podemos leer de manera directa a través del sensor adecuado, en otras ocasiones, al no existir un sensor diseñado de manera explícita para determinar la variable, se ocupa un sensor para medir una variable física diferente, pero que se relaciona con la que nos interesa por medio de una relación matemática. Lo que nos da la posibilidad de que para cualquier proceso industrial, exista un sensor involucrado. [46]

El sensor lee la variable física y entrega una señal eléctrica que está dentro de un rango de valores de voltaje, siendo éste el que se hace llegar al ADC del microcontrolador. Teniendo en cuenta que el ADC mide variaciones de voltaje, el sensor tiene que adecuarse al rango mínimo y máximo que puede leer la entrada del ADC. Para que el ADC pueda realizar una conversión de valor analógico, se le tiene que agregar un voltaje de referencia, porque es el que indica precisamente cual es el rango de operación de la entrada del ADC.

Todos los ADC de los microcontroladores PIC aceptan, como máximo, un rango de operación que llega hasta 5 Volts, por lo que se puede establecer rangos de operación de cualquier valor, siempre y cuando no rebase los 5 Volts.

El rango de operación expresado en volts, sea de la magnitud que sea, se divide en tantas partes como numero de bits posea el ADC, de acuerdo a la figura 7.9. El cálculo del valor de la resolución del ADC se hace de acuerdo a la siguiente expresión matemática: [46]

CAPITULO 7.

[67]

En donde:

Resolución.- rango de voltaje en el cual se presenta un cambio de valor en la combinación binaria.

Vrango.- rango de operación del ADC expresada en voltaje.

N.- Numero de bits que posee el ADC.

En el ejemplo de la figura 7.10 contempla un ADC de 3 bits (el numero de bits de un ADC real cuando menos es de 8, por lo tanto el numero de combinaciones binarias que está dado por la relación: Combinaciones binarias=2N da como resultado un total de 16, las cuales van de 0000b hasta 1111b. Para el PIC18F4550 se programo con una resolución de 10 bits, más adelante se explicara.

Figura 7.10.Resolucion de una señal analógica. [54]

La resolución del ADC indica cuanto tiene que variar el voltaje que entrega el sensor para que exista un cambio en la combinación binaria correspondiente, por la que a un determinado valor analógico le corresponde una combinación binaria que es precisamente la conversión y lo que entregara como resultado el ADC. [45]

Por otra parte, la cantidad de valores analógicos que el ADC puede digitalizar está en función del número de muestras que puede adquirir, para ello se establece de manera automática un periodo estable de tiempo, durante el ADC obtendrá muestras, tal como se ilustra en la figura 7.11.

CAPITULO 7.

[68]

Figura 7.11.Muestreo de una señal analógica. [55]

El muestreo de muestras mínimas que se tienen que tomar se encuentran de acuerdo al valor de frecuencia de operación de la señal a digitalizar, y en función del “Teorema de muestreo” establecido por Nyquist, la frecuencia de muestreo (numero de muestras por segundo) se establece de acuerdo a la siguiente expresión matemática:

En donde:

B.- frecuencia de muestreo (numero de muestras por segundo).

F.- frecuencia de operación de la señal a digitalizar.

El teorema de muestreo se ocupa principalmente en el caso de que la señal a digitalizar posea una frecuencia alta de operación, y por lo tanto se tiene que tomar un buen numero de muestras y digitalizarlas, como para que en un proceso posterior se tenga que reproducir la señal original, como es el caso de un reproductor de CD’s o en un osciloscopio digital. Por ejemplo si la señal analógica trabaja a una frecuencia de 1KHz, se le tiene que aplicar una frecuencia de muestreo de 2KHz, ósea que se deben tomar 2000 muestras por segundo, y por cada una de estas muestras se tiene que digitalizar, por lo que es necesario poseer, además del ADC, una memoria de por lo menos 2000 localidades para poder guardar la información de las 2000 localidades binarias que arroje la digitalización de la señal analógica. [46]

Para el caso de una aplicación tipo técnico en donde se tenga que digitalizar el valor de una señal analógica, como es la temperatura, el numero de muestras por segundo “B” no tiene que ser muy grande, ya que la temperatura no cambia tan rápido de valor. En la medición de temperatura podemos establecer periodos de muestreo de cada segundo y por lo tanto el espacio de la memoria donde debemos almacenar los valores digitalizados, no tiene que ser tan grande. Dependerá de la naturaleza de la variable física como para establecer la cantidad de muestras a tomar, así como el proceso para guardar la información en el microcontrolador, en una memoria externa o enviarla de manera paralela, serial o USB a una PC. [46]

CAPITULO 7.

[69]

Figura 7.12.Fases de la conversión analógica/digital. [4]

Se basa en realizar sucesivas comparaciones de forma ascendente o descendente hasta encontrar un valor digital que iguale la tensión entregada por el conversor A/D y la tensión de entrada.

Durante la fase de muestreo el interruptor se cierra y el condensador se carga a la tensión de entrada (el tiempo que el interruptor permanece cerrado es fundamental para la correcta carga del condensador). Una vez abierto el interruptor, el condensador mantendrá (teóricamente) la tensión de entrada mientras el modulo ADC realiza la conversión.

El modulo A/D en la gama alta posee hasta 12 entradas analógicas. El convertidor (figura 7.13) es de 10 bits y, tal como se ha comentado, es de aproximaciones sucesivas. Permite variar la tensión

de referencia a la máxima Vdd o a una tensión positiva menor a través de AN3/ y a la

mínima Vss o a una tensión positiva mayor a través de AN2/ . [45]

Figura 7.13.Bloques básicos de un convertidor A/D de aproximaciones sucesivas. [45]

La función de transferencia del convertidor A/D es el resultado de que la primera transición ocurra

cuando la tensión analógica de entrada es igual a . [45]

La resolución vendrá dada por la siguiente ecuación:

En el caso de que la y entonces la resolución es:

CAPITULO 7.

[70]

e) Registros FSR.

Hay 11 registros asociados a este periférico:

• Definición de pines de entrada y salida aplicadas: TRISA – PORTA – TRISB – PORTB – TRISE - PORTE

• Manejo de interrupciones: INTCON - PIE1 - PIR1

• Control del convertidor A/D

ADCON0 – ADCON1 – ADCON2 – ADRESH – ADRESL

Registro de control ADCON0 [47]

Figura 7.14.Registro ADCON0. [47]

Bits 7:6 DCS1:ADCS0: sin aplicarse leer como ‘0’

Bits 5:2 CHS2:CHS0: bits de selección del canal.

0000 = Channel 0 (AN0) 0001 = Channel 1 (AN1) 0010 = Channel 2 (AN2) 0011 = Channel 3 (AN3) 0100 = Channel 4 (AN4) 0101 = Channel 5 (AN5) (1, 2) 0110 = Channel 6 (AN6) (1, 2) 0111 = Channel 7 (AN7) (1,2) 1000 = Channel 8 (AN8) 1001 = Channel 9 (AN9) 1010 = Channel 10 (AN10) 1011 = Channel 11 (AN11) 1100 = Channel 12 (AN12) 1101 = Unimplemented (2) 1110 = Unimplemented (2) 1111 = Unimplemented(2)

Bit 1 GO/DONE: bits de estado de conversión Si ADON = 1: 1 = A/D conversión en progreso. 0 = A/D la conversión ha finalizado

Bit 0 ADON: activar el convertidor. 1 = A/D convertidor activado. 0 = A/D convertidor desactivado.

Registro de control ADCON1 [47]

CAPITULO 7.

[71]

Figura 7.15.Registro ADCON1. [47]

Bit 7-6 sin aplicarse leer ‘0’. Bit 5 VCFG0: voltaje de referencia (Vref-)

1 = VREF- (AN2) 0 = VSS

Bit 4 VCFG0: voltaje de referencia (Vref+) 1 = VREF+ (AN3) 0 = VDD

Bit 3-0 PCFG3:PCFG0: configuración de las entradas al modulo A/D

Tabla 7.3. Tabla de configuración de los canales. [47]

Registro de control 2 [6]

Figura 7.16.Registro ADCON2. Fuente [47]

CAPITULO 7.

[72]

Bit 7 ADFM: bit de selección del formato de resultado 1 = Right justified 0 = Left justified

Bit 6 Unimplemented: Read as ‘0’ Bit 5-3 ACQT2:ACQT0: bits de selección del tiempo de conversión.

111 = 20 TAD 110 = 16 TAD 101 = 12 TAD 100 = 8 TAD 011 = 6 TAD 010 = 4 TAD 001 = 2 TAD 000 = 0 TAD(1)

Bit 2-0 ADCS2:ADCS0: bits de selección para el reloj de conversión. 111 = FRC (clock derived from A/D RC oscillator) (1) 110 = FOSC/64 101 = FOSC/16 100 = FOSC/4 011 = FRC (clock derived from A/D RC oscillator) (1) 010 = FOSC/32 001 = FOSC/8 000 = FOSC/2

7.2.2 USB – Universal Serial Bus.

El Bus Serie universal fue creado en los años 90 por una asociación de empresas con la idea, entre otras, de mejorar las técnicas plug – and – play, es decir, permitir a los dispositivos conectarse y desconectarse sin necesidad de reiniciación, configurándose automáticamente al ser conectados; además se le dotó de transmisión de energía eléctrica para los dispositivos conectados.[45]

Este bus tiene una estructura de árbol y se puede ir conectando dispositivos en cadena, pudiéndose conectar hasta 127 dispositivos permitiendo la transferencia síncrona y asíncrona.

Se puede clasificar según su velocidad de transmisión de datos (desde kilobits hasta megabits): Baja Velocidad (1.0) utilizado para los dispositivos de interfaz humana (HID) como ratones, etc., Velocidad completa (1.1) y Alta Velocidad (2.0) para conexiones a internet, etc. [45]

a) Migración de RS232 a USB.

La interfaz serie RS-232 está desapareciendo prácticamente de los ordenadores personales y esto supone un problema, ya que muchas de las aplicaciones con microcontroladores utilizan este bus para su comunicación con el PC. La solución ideal es migrar a una interfaz USB y existen distintas formas de hacerlo. El método más sencillo de hacerlo es emular RS-232 con el USB, con la ventaja de que el PC vera la conexión USB como una conexión COM RS-232 y no requerirá cambios en el software existente. Otra ventaja es que se utilizan drivers suministrados por Windows, por lo que no es necesario desarrollar uno; estos drivers son el usbser.sys y el ccport.sys. Además puesto que el protocolo USB maneja comunicación bajo nivel, los conceptos baut rate, bit de paridad y el control de flujo para el RS-232 ya no importan. [45]

CAPITULO 7.

[73]

b) Arquitectura USB.

El cable USB es un BUS (topología enlazada en estrella) que soporta el intercambio de datos entre un computador Host y periféricos de banda ancha accesibles simultáneamente. Los periféricos insertados parten la banda ancha del USB a través de la programación del Host, Protocolo de prueba de base. El bus permite que los periféricos sean adjuntados, configurados, usados y detectados mientras el host y otros periféricos están en acción, ver figura 7.17.

Figura 7.17.Dispositivos USB y Host USB. [55]

A pesar de que el puerto USB ofrece más ventajas que sus predecesores, su complejidad para implementarlo es enorme, ya que su funcionamiento está basado en protocolos de software.

Solo puede haber un Host en el bus que maneja a todos los componentes conectados como, se indica en la figura 7.18.

CAPITULO 7.

[74]

Figura 7.18. Topología del BUS. [55]

El cable típico USB no es largo, debido a la velocidad de transferencia, sus terminales son de tipo diferencial y consta de cuatro hilos:

Figura 7.19. Conectores US: [43]

La velocidad soportada por estos cables es de 12Mb/s, hasta 480 Mbps en el caso de los cables USB 2.0. El cable está compuesto por solo cuatro cables, Vbus, D+, D- y GND (Ver tabla). La información y los datos se mueven por los cables D+ y D-.

PIN NOMBRE COLOR DE CABLE 1 +5.0 Volts Rojo 2 Data - Blanco 3 Data + Verde 4 Ground Negro

Tabla 7.4. Pines de conexión USB.

CAPITULO 7.

[75]

A través de esos cables se genera un tipo de señal diferencial. La transferencia de información lo realiza de manera bidireccional, pero no al mismo tiempo. En la misma señal diferencial entre D+, D- se envía y se recibe las tramas de datos. Dentro de esta señal se observa una señal Sync, PID y opcional, estas tres forman el paquete de trama donde va incluida la información que se desea transmitir, ver figura 7.20.

Figura 6.20.Composicion de los paquetes de información. [48]

La señal Sync es utilizada por receptor para sincronizarse con el host. El PID es un paquete identificador, que definirá de cómo los bytes de información deben ser interpretados o tratados. Y por ultimo esta la opcional donde contiene los datos enviados y recibidos, que va desde 1 byte hasta 124 bytes.

La arquitectura USB comprende cuatro tipos básicos de transferencia de datos:

1. Control Transfer: es usado para configurar un dispositivo al momento de que se conecta. Otros driver puede ser elegido para usar control transfer en implementaciones específicas. El dato se puede perder.

2. Bulk data transfer: entrega el dato por volumen, al ancho de banda puede variar. Es usado en escáner o cameras. La rafa de datos es secuencial.

3. Interrupt data transfer: usado para la entrega fiable de datos. Por ejemplo caracteres, respuestas a características.

4. Isochronous data transfer: ocupado para negociar el ancho de banda.

c) Comunicación entre la PC y el Dispositivo USB.

Para lograr el enlace a USB se utilizaron las funciones USB, incorporadas en el lenguaje C del programa CCS para PICS, dichas funciones están preparadas para que el microcontrolador sea reconocido como un dispositivo personalizado utilizando los descriptores que incluye el mismo lenguaje.

CAPITULO 7.

[76]

La comunicación se divide en las siguientes partes:

• Protocolos de comunicación o descriptores USB. • La librería MPUSBAPI.DLL • Definir los VID&PID. • Instalar el driver para Windows XP que nos ofrece Microchip. • Construir el programa en LabView que sea capaz de utilizar las funciones de la librería de

enlace dinámica, DLL.

Figura 7.21. Etapas de comunicación entre la PC y el dispositivo USB. [7]

Aunque el PIC no puede funcionar como host, ya que se requiere de una gran capacidad de manejo de datos para administrar a cada componente del BUS, es suficiente que se pueda administrar como un “device” para esto se requiere “memorizarle” los protocolos necesarios para enlazarlo con el host.

Estos protocolos se les llaman descriptores y sirve para informarle al host todo lo necesario para que pueda administrarlo.

Todos los PIC de la serie 18FXX5X tienen tres modos de funcionamiento: [47]

1. Bulk transfer: transferencia bidireccional masiva de información, velocidad alta, requiere driver (WinUSB para Vista y mpusbapi para XP y anteriores).

2. CDC: clase de dispositivos de comunicación (emulación del protocolo RS-232), velocidad media, requiere driver.

3. HID: dispositivos de interfaz humana (plug – and - play), velocidad baja, no requiere driver.

Con base en lo anterior, se implementó una comunicación bidireccional masiva, bulk transfer, entre el PIC y el software del PC vía USB 2.0 a full speed. Debido a que permite la transmisión de datos de alta velocidad de 12Mb/s. Las transferencias Bulk están diseñadas

CAPITULO 7.

[77]

Para soportar aquellos dispositivos que precisan enviar o recibir grandes cantidades de datos. [7]

Dentro de los protocolos, hay que especificar el tipo de transferencia de datos usar (endpoints),VID&PID, nombre y serie del producto que se conecta para que el host identifique al driver y pueda instalarlo con el fin de que el dispositivo pueda formar las “PIPES” o túneles para su comunicaciones con el host (ver figura 7.22).

Figura 7.22. Flujo de comunicación USB. [53]

d) Librería MPUSBAPI de Microchip.

La librería realiza la transmisión de datos a la dirección del dispositivo que el host USB configuro al usar el driver. El driver establece el puente entre la PC y el microcontrolador. Dentro del microcontrolador se ejecuta el firmware el cual se comunica con elementos de la TAD, que realiza algunas funciones útiles para el usuario o lo que se desea controlar.

Para una mayor facilidad de desarrollo de aplicaciones basadas en el bus USB, Microchip lanzó un archivo dll que proporciona funciones de acceso al puerto USB. Para el funcionamiento correcto, se necesita el driver mchpusb.sys.

Las funciones de la librería mpusbapi se analizan a continuación: Mpusbopen: (intance, pVID_PID, pEP, dwDir, dwReserved) devuelve el acceso al pipe del endpoints con el VID_PID asignado. [7]

• Instance (input): Un número de dispositivo para abrir. Normalmente, se utiliza primero la llamada de MPUSBGetDeviceCount para saber cuántos dispositivos hay.

• pVID_PID (input): String que contiene el PID&VID del dispositivo objetivo. El formato es “vid_XXXX&pid_YYYY”. Donde XXXX es el valor del VIDy el YYYY es del PID, los dos son hexadecimal.

• pEP (input): String con el numero de Endpoints que se van abrir. El formato es “//MCHP_EPz” o “/MCHP_EPz” dependiendo del lenguaje de programación. Donde z es el numero d Endpoints en decimal.

• dwDIR: especifica la dirección del endpoint: MP_READ para MPUSBRead MPUSBReadInt y MP_Write: para MPUSBWrite

• dwReserved: indica un número reservado para el dispositivo.

CAPITULO 7.

[78]

Mpusbwrite: (handle, pData, dwLen, pLenght, dwMilliseconds) [7]

• hadle (input): identifica la pipe del endpoint que se va a escribir. La pipe unidad tiene que crearse con el atributo de acceso MP_WRITE.

• pData (Output): puntero al buffer que contiene los datos que se van a escribir en la pipe. • pLenght (Output): puntero al número de bytes que se escriben al llamar esta función.

MPUSBWrite pone este valor a cero antes de cualquier lectura o de chequear un error. • dwMilliseconds (Input): especifica el intervalo de time-out en milisegundos. La función

vuelve si trascurre el intervalo, aunque no se completa la operación. Si dwMilliseconds=0, la función comprueba los datos de la pipe y vuelve inmediatamente. Si dwMilliseconds es infinito, el intervalo de time-out nunca termina.

Mpusbread: (hadle, pData. dwLen, pLenght, dwMilliseconds) [48]

• hadle (inout): identifica la pipe del Endpoint que se va a leer. La pipe unidad tiene que crearse con el atributo de acceso MP_READ.

• pData (output): puntero al bueffer que recibe el dato leído de la pipe. • dwLen (input): especifica el numero de bytes que hay que leer de la pipe. • pLenght (output): puntero al número de bytes leidos. MPUSBRead pone este valor a cero

antes de cualquier lectura o de chequear un error. • dwMilliseconds (input): especifica el intervalo de time-out en milisegundos. La función

vuelve si trascurre el intervalo, aunque no se completa la operación. Si dwMilliseconds=0, la función comprueba los datos de la pipe y vuelve inmediatamente. Si dwMilliseconds es infinito, el intervalo de time-out nunca termina.

Mpusbclose (hadle) cierra una determinada unión. [7]

• Hadle (input): identifica la pipe del endpoint que se va a cerrar.

7.3 ENLACE DEL LABVIEW AL PIC PARA EL CONTROL Y MONITOREO. Para poder iniciar el enlace con el PIC es necesario que se haya incluido satisfactoriamente la instalación del paquete de drivers de Microchip.

Posteriormente se procede a hacer la programación en Labview para hacer la conexión.

CAPITULO 7.

[79]

Figura 7.23. Driver instalado en Windows Seven.

Posteriormente se procede a hacer la programación en Labview para hacer la conexión.

Como se comento anteriormente, con la librería Mpusbapi se puede tener acceso al puerto USB. Para hacer uso de esa librería en Labview se utiliza el VI Call Library Fuction Node ver figura 7.24.

Figura 7.24. Call Library Fuction Node.

Con este VI se puede asignar los parámetros a las funciones que contiene la librería Mpusbapi para enviar y recibir datos. Los pasos para utilizar la librería mpusbapi.dll en LabView se muestran en el diagrama siguiente:

CAPITULO 7.

[80]

Figura 7.25. Diagrama de configuración de la librería mpusbapi. [48]

Teniendo esta logia, se configura el VI (Call Library Function), primero se debe colocar la dirección donde se encuentre instalado el driver de Microchip con extension DLL.

Iniciando con la primera parte del diagrama a bloques que se mostro anteriormente en la figura 7.25, recordar que se va a implementar la primera instrucción ____ el cual proporciona como resultado el numero de dispositivos conectados a la PC con el PID&VID que se va a llamar, en este caso el PID&VID que se quiere llamar es vid_04d&&pid_000b, según las instrucciones de uso del Mpusbapi.dll, se tiene que declarar como String y la misma función proporciona una salida en formato numérico, ver figura 7.26:

Figura 7.26. Configuración de la librería mpusbapi.

CAPITULO 7.

[81]

Conociendo estos pasos, en la misma ventana de la figura 6.25, se configuran los “Parameters”. En esta parte se configura las funciones prototipo que servirán como traductor entre LabView y la librería Mpusbapi.

La configuración de la primera serie de que se ejecutara será de la siguiente forma, ver figura 7.27.

Figura 7.27. Configuración de la función prototipo.

Los demás parámetros se configuran de manera similar a lo descrito anteriormente. Solo hay que tener en cuenta que para la función MPUSBOpen, MPUSBWrite y MPUSBRead a la configuración se le agregan los parámetros que establece la librería del controlador del PIC.

Tener en cuenta que en la función prototipo MPUSBWrite se agrega el parámetro SendData y SendLenght, el primero se utiliza para enviar una cadena o arreglo de números, tener en cuenta que son “números” de 8 bits los que se enviaran al microcontrolador, no admite otro tipo de dato. Para poder enviar un arreglo de número o clúster, en el diagrama a bloques principal se van convirtiendo los valores booleanos y valores numéricos a arreglos y posteriormente a un clúster.

CAPITULO 7.

[82]

Figura 7.28. Configuración de la función prototipo MPUSBWrite.

Esto se hace con la finalidad de que los datos enviados de LabView al microcontrolador sean canalizados por un solo BUS de comunicaciones o un arreglo de números.

De igual manera la función prototipo MPUSBRead entrega como return un arreglo. Este arreglo que se recibe son los datos que el PIC está enviando hacia LabView. Estos datos son los que se están leyendo desde lo sensores. Posteriormente estos valores se manipulan en LabView para mostrarlos en graficas, para mostrar alarmas cuando el dato leído repase los valores establecidos dentro el rango. Por último al finalizar el programa se deben cerrar las Pipes.

Una vez que se enlaza el PIC con LabView, los datos pueden fluir las veces que sea necesario de un sentido a otro y manipularlos como se desee, ya que se tiene el completo control del software del PIC (por parte del compilador C) y la PC (por parte de LabView).

Por lo que respecta al descriptor del USB, es muy importante considerar el valor del VID&PID, ya que si no es configurado correctamente, el driver que proporciona Microchip no lo reconocerá.

CAPITULO 7.

[83]

Figura 7.29. Panel principal del PICUSB.vi.

Esta parte es la más importante dentro de la etapa de control y monitoreo, ya que es la comunicación directa entre LabView y el microcontrolador, partiendo de esta parte tan principal, se diseña el panel frontal dentro de LabView que será la interfaz entre el usuario y el sistema completo de control y monitoreo, quedando de la siguiente manera, ver figuras 6.31 que es el panel frontal.

Figura 7.30. Panel principal de Sistema de control y monitoreo de temperatura, humedad, iluminación y riego.

CAPITULO 7.

[84]

Figura 7.31.Tarjeta de adquisición de datos..

CAPITULO 7.

[85]

7.4 MIGRACION DE RS-232 A RS-485. El protocolo de comunicación tiene la desventaja de atenuarse a distancias mayores a 7 metros [], esto debido a que….. Como se comento anteriormente el programa de LABVIEW que monitorea y controla las condiciones del invernadero, estará corriendo en una PC dentro una oficina de la secretaria que se encuentra a una distancia de 25 metros; debido a esta distancia el protocolo de comunicación USB pierde potencia en la transmisión de datos hacia el comutador. De todas las soluciones posibles que se pueden generar para este inconveniente, se opto por utilizar el puerto de comunicación USAR, usando el protocolo RS-232. Pensando usar este protocolo de comunicación y retomando el alcance del proyecto; el protocolo RS-232 se puede configuarar para utilizar la norma TIA/EIA 485. 7.4.1 Ventajas de RS-485 Esta interface tiene muchas ventajas con respecto a RS-232, entre las cuales se mencionan:

a) Bajo costo

Los circuitos integrados para transmitir y recibir son baratos y solo requieren una fuente de +5 Volts para poder generar una diferencia minima de 1.5 Volts entre las salidas diferenciales. En contraste con RS-232 que en algunos casos requiere de fuentes dobles para poder eliminar algunos circuitos integrados.

b) Capacidad de interconexión RS-485 es una interface multienlace con la capacidad de tener multiples transmisores y receptores. Con una alta impedancia receptora, los enlaces con RS-485 pueden llegar a tener hasta 256 nodos.

c) Longitud de enlace En un enlace RS-485, pueden tener hasta 4000 pies de longitud, comparado con RS-232 que tiene unos límites tipos de 50 a 100 pies.

d) Rapidez La razón de bits puede ser tan alta como 10 Mb/s. 7.4.2 Características de RS-485

• Es una mejora sobre la tecnología RS-422, ya que incrementa el número de dispositivos que se pueden conectar (10 a 32) y define las características necesarias para asegurar los valores adecuados de voltaje cuando se tiene una carga máxima.

• Soporta distintos tipo de conectores DB-9 y DB-27. • Puede soportar hasta 32 nodos (emisores/receptores) conectados por cada segemento de

red. • El bus puede instalarse en sistemas de 2 hilos como en sistemas de 4 hilos. • Interfaz diferencial. • Conexión multipunto. • Alimentación única de 5 Volts. • Hasta 32 estaciones, pero en la actualidad hay sistemas que permiten conectar hasta 128

estaciones.

CAPITULO 7.

[86]

7.4.3 Bus de 4 Hilos RS-485 Dentro del estándar RS-485 existen diferentes variantes, una de las cuales es conocida como 4D-RS-485. En este caso se mantienen por separado los pares de cables de recepción y conexión, las únicas señales que son necesarias para transmitir se muestran en la tabla 7.5:

Nombre Función TXD (+) Transmisión de datos salida (+) TXD (-) Transmisión de datos salida (-) RXD (+) Recepción de datos entrada (+) RXD (-) Recepción de datos entrada (-) Tierra Tierra.

Tabla 7.5. Bus 4 Hilos

En este modelo, el equipo principal (master), puede mandar datos en cualquier momento, mientras que los equipos secundarios (slaves), únicamente deben responder cuando el mensaje va dirigido a ellos.

La técnica de 4 hilos solo puede ser usada por aplicaciones Master/Slave, conforme al bosquejo se cablea la salida de datos del maestro a las entradas de datos de todos los esclavos.

Figura 7.32 Bus 4 Hilos RS-485

7.4.4 Comunicación RS-485 en modo Full Duplex Se usara la comunicación Full Duplex debido a que se necesita estar reportando los datos obtenidos de los sensores y procesados por el microcontroador hacia la computadora, sin embargo, como no se sabe cuando se necesitara dicha información, se requiere de dos canales, uno independiente del otro para poder transmitir y recibir la información. [59] El termino Full dúplex se refiere a que un sistema puede transmitir y recibir información simultáneamente. Bajo este concepto la interfaz RS-485 está diseñada para sistemas multipunto, esto significa que los enlaces pueden llegar a tener más de un transmisor y receptor, ya que en cada dirección Transmisor/ Receptor tiene su propia ruta. La siguiente figura muestra lo anterior:

CAPITULO 7.

[87]

Figura 7.33 Full Duplex de RS-485.

En la anterior figura se muestra cómo es posible utilizar la comunicación Full Duplex con multiples nodos transmisores y receptores.

En este arreglo del tipo maestro / esclavo, se pondrá como ejemplo que el nodo 1 es el maestro, por lo tanto tiene el control de la red y el asigna el permiso para transmitir. Un par de cables están conectados del nodo trasmisor Maestro a todos los controladores receptores esclavos. En el otro sentido, un par de cables conectan a todos los esclavos al receptor del Maestro. Todos los esclavos deben leer lo que el maestro envía, pero solo uno va a poder responder y lo hace a través de los cables opuestos.[59]

Figura 7.34 Ejemplo nodos RS-485.

7.4.5 Circuito SN75176 Para lograr la comunicación con el ordenador se elabora una interfase del tipo RS-485, para su elaboración, se utilizan dos circuitos integrados con la matricula SN75176 de Texas Instruments, uno es para la recepción de datos y otro para la transmisión. Estos dispositivos se encargan de hacer la conversión entre los niveles TTL del microcontrolador y las señales del tipo diferencial que se utilizan el bus RS-485. Vale la pena decir que en el controlador de transmisión se agregó una línea de habilitación, esto se debe a que todas las salidas de los microcontroladores están conectadas a la línea de recepción del ordenador, así cada uno está siempre deshabilitado para enviar datos y solo se habilitará en el momento en que deba hacer una transmisión, evitando así conflictos o choques de información en la línea o bus de datos, a continuación la sig. Figura hace una breve descripción de este circuito integrado.

CAPITULO 7.

[88]

Figura 7.35 SN75176

En las termínales VCC y GND se encuentra la alimentación del circuito, que este caso es de +5V.

• La terminal R0 y DI recibe un nivel lógico TTL si y solo si la línea RE se habilita y como se puede observar es con un ‘0’ lógico.

• Las terminales D0 y -D0 reciben también el nombre de A y B y son sobre estas líneas las que forman el Bus de Transmisión y Recepción.

• Como se puede observar, cada chip consta de un transmisor y un receptor, si las terminales RE (Pin 2) y DE (Pin 3) se unen entre si con un solo Bit se puede controlar el flujo de la información.

7.4.6 Convertidor RS-232 a RS-485 Una vez contando con la salida RS-232 del microcontrolador, se procede hacer la conversión a RS-485 con el circuito SN75176. Cabe mencionar que para este proyecto solo se implemento un solo esclavo que fue la Tarjeta de Adquisicion de Datosy Labview vuelve a dar la flexibilidad de soportar ambos estándares de transmisión que se usaron en la implementación del proyecto USB y RS-485. Para acondicionar la transmisión RS-485, debe existir un circuito que convierta dichas señales al formato RS-232 para que así pueda conectarse en la red el dispositivo maestro, que en este caso es el ordenador, el cual envía o recibe la información. Está tarea implica convertir nuevamente las señales de tipo diferencial a niveles TTL mediante los circuitos integrados SN 75176 y a continuación un circuito integrado MAX 232, que invierte los niveles lógicos TTL a rangos de +15V y –15 V, los cuales son los niveles de tensión adecuados para el puerto serial.

CAPITULO 7.

[89]

Figura 7.36 Convertidor RS-232 a RS-485.

RESULTADOS

[90]

RESULTADOS.

Para cambiar el tipo de riego con el que contaba el invernadero de la SENASICA (manual a automatizado), se hizo una tubería nueva con tubo de PVC hidráulico para reducir los costos (ver figuras 8.1 y 8.2). La tubería es de 14.35 metros para llegar de la cisterna hacia el invernadero. Contamos con una cisterna de aproximadamente 21m3.

Nota: No se pudo tomar bien las medidas de la cisterna ya que está sellada y solo se pueden meter los tubos para la tubería.

.

Figura 8.1. Tubería de la cisterna a la bomba.

Figura 8.2. Tubería hacia el invernadero.

RESULTADOS

[91]

Dentro del invernadero la tubería en total fue de 8m (ver figura 8.3 y 8.4).

Figura 8.3. Tubería dentro del invernadero.

Figura 8.4. Tubería dentro del invernadero.

Para el riego fue necesario el uso de una bomba (ver figura 8.5).

RESULTADOS

[92]

Figura 8.5. Bomba utilizada para el riego por goteo.

El resultado del riego por goteo fue aceptable, el riego se accionaba dependiendo de la temperatura a la que se encontrara el invernadero y el cultivo, cuando se pasaba por encima del rango de la bacteria que es 31°C se activaba inmediatamente el riego y se desactivaba cuando se llegaba a un rango de humedad mayor al 90%.

Las pruebas para el riego se hicieron en cuatro días, en estos días el sistema funciono de manera correcta. Solo hubo algunos inconvenientes al inicio porque era regular la presión de la bomba para poder siniestrar el agua correctamente.

Para la variable de temperatura en el invernadero, se realizo la investigación de las condiciones de temperatura para la bacteria, con base a ese estudio se selecciono el tipo de sensor a utilizar(LM335), se diseño el circuito para acondicionamiento de la señal entregada por el sensor(ver anexos), para que lo reconociera la TAD.

Figura 8.6. Circuito sensor de temperatura.

RESULTADOS

[93]

Para hacer la prueba de medición de temperatura colocamos dos sensores estratégicamente, los cuales estuvieron a prueba en el invernadero durante 4 días. La posición de los sensores fue uno en la maceta donde está el cultivo y el otro fue en medio del invernadero (suspendido en el aire). Durante ese periodo de prueba se tuvo que ajustar el sensor en su circuito acondicionador de señal, debido a que no realizaba las mediciones correctas, esto se pudo comprobar con un termómetro el cual nos indicaba la temperatura ambiente dentro del invernadero.

Después se llevaron a cabo las pruebas con los sistemas de riego e iluminación, las cuales presentaron un funcionamiento correcto. Con temperaturas mayores a los 31 °C se activaba el riego y con temperaturas menores a 22°C se activaba la iluminación, cuando sobrepasaba el rango de temperatura y el riego aumentaba la humedad (mayor al 90%) el sistema respondía accionando el extractor y apagando el riego. Otra de sus características de aplicación del sensor, es que lo trabajamos de manera superficial, ya que solo trabajamos con macetas a no más de 30 cm de profundidad, esta es otra de las razones de la elección de este sensor, ver figura 8.7.

Con el sensor de humedad se realizó un análisis para su selección, basándose en los rangos de humedad del HBL para su supervivencia, además del costo. Las pruebas que se realizaron para observar que el sensor midiera de forma correcta las llevamos a cabo por cuatro días, en donde la respuesta del sensor fue satisfactoria, interactuando de manera eficaz con su sistema de control.

Figura 8.7. Sensor de humedad.

Por otra parte para la lectura de los sensores, se diseño un equipo de adquisición de datos, ver figura 8.8, debido a que, en SENASICA no presentaba ninguna infraestructura que realizara un registro de los valores que se generaban al día dentro de su invernadero.

RESULTADOS

[94]

Figura 8.8. Equipo de adquisición de datos.

Este equipo cuenta con 11 entradas, 7 salidas en las cuales 3 son con salida de opto acoplador y la demás con salida de relevador, aparte una salida con display LCD, además de que es compatible con Labview (en este caso), se proporcionó a SENASICA un panel de control frontal de manera grafico, en cual podrán visualizar las graficas de las variables de temperatura y humedad. Ver figura 8.9 y 8.10.

Figura 8.9. Panel de control de temperatura.

RESULTADOS

[95]

Figura 8.10. Panel de control de humedad.

Todas las variables que se están monitoreando y controlando (en tiempo real), cuentan con su sistema de verificación, aparte de que cada una de las variables ofrecen sus reportes para ser impresos sus resultados de las mediciones.

Figura 8.11. Panel de control de luminosidad.

RESULTADOS

[96]

Como medida de prevención en el diseño se inserto una display LCD, por si llegara a dañarse la computadora en donde está el panel grafico, en el lcd se podrá ver los valores de las variables, así como accionar manualmente los sistemas de riego y luminosidad. Ya que este presenta una menú con las opciones a utilizar. Ver figura 8.12.

Figura 8.12. Panel con LCD.

Canal Fecha Tiempo Temperatura del invernadero Temperatura ambiente

1 10/11/2010 11:20 23.5 25.3 1 10/11/2010 11:30 23.5 25.6 1 10/11/2010 11:35 23.4 25.4 1 10/11/2010 11:40 23.4 25.2 1 10/11/2010 11:45 23.4 26.1 1 10/11/2010 11:50 23.5 26.1 1 10/11/2010 12:10 23.5 25.8 1 10/11/2010 12:15 23.5 25.6 1 10/11/2010 12:20 23.5 25.7 1 10/11/2010 12:26 23.5 25.6 1 11/11/2010 15:30 28.1 28.7 1 11/11/2010 15:35:00 28.2 29.3 1 11/11/2010 15:40 28.2 29.2 1 11/11/2010 15:45 28.2 29.2 1 11/11/2010 15:50 28.2 29.3 1 11/11/2010 16:00 28.2 29.2 1 11/11/2010 16:10 28.2 29.3 1 11/11/2010 16:15 28.2 29.3 1 11/11/2010 16:20 28.3 29.3

RESULTADOS

[97]

1 11/11/2010 16:26 28.3 29.2

1 12/11/2010 11:17 24.2 26.3 1 12/11/2010 11:25:00 24.2 26.1 1 12/11/2010 11:35 24.2 26.2 1 12/11/2010 11:35 24.3 26.4 1 12/11/2010 11:45 24.3 26.3 1 12/11/2010 11:50 24.3 26.2 1 12/11/2010 12:00 24.3 26.3 1 12/11/2010 12:04 24.4 26.4 1 12/11/2010 12:15 24.6 26.5 1 12/11/2010 12:26 24.5 26.4 1 13/11/2010 10:17 27.2 30.3 1 13/11/2010 10:25:00 27.1 30.2 1 13/11/2010 10:35 27.1 30.1 1 13/11/2010 10:35 27.1 30.3 1 13/11/2010 10:40 27.1 30.2 1 13/11/2010 10:45 27.2 30.1 1 13/11/2010 10:55 27.3 29.8 1 13/11/2010 11:10 27.3 30.1 1 13/11/2010 11:15 27.1 30.11 1 13/11/2010 11:26 27.3 30.12

Tabla 8.1 Comparación de los resultados de la temperatura ambiente y temperatura del invernadero

Canal Fecha Tiempo Humedad

1 10/11/2010 11:27 90% 1 10/11/2010 11:28 87% 1 10/11/2010 11:29 85% 1 10/11/2010 11:30 80% 1 10/11/2010 11:31 83% 1 10/11/2010 11:32 84% 1 10/11/2010 11:33 87% 1 10/11/2010 11:34 87% 1 10/11/2010 11:35 88% 1 10/11/2010 11:36 86% 1 11/11/2010 12:27 81% 1 11/11/2010 12:28 83% 1 11/11/2010 12:29 83% 1 11/11/2010 12:30 84% 1 11/11/2010 12:31 79% 1 11/11/2010 12:32 79% 1 11/11/2010 12:33 81%

RESULTADOS

[98]

1 11/11/2010 12:34 84%

1 11/11/2010 12:35 85% 1 11/11/2010 12:36 86% 1 12/11/2010 11:27 86% 1 12/11/2010 11:28 86% 1 12/11/2010 11:29 85% 1 12/11/2010 11:30 88% 1 12/11/2010 11:31 88% 1 12/11/2010 11:32 91% 1 12/11/2010 11:33 91% 1 12/11/2010 11:34 87% 1 12/11/2010 11:35 88% 1 12/11/2010 11:36 85% 1 13/11/2010 10:27 83% 1 13/11/2010 10:28 86% 1 13/11/2010 10:29 87% 1 13/11/2010 10:30 88% 1 13/11/2010 10:31 89% 1 13/11/2010 10:32 90% 1 13/11/2010 10:33 90% 1 13/11/2010 10:34 85% 1 13/11/2010 10:35 87% 1 13/11/2010 10:36 88% Tabla 8.2 Resultados de humedad en el invernadero.

CONCLUSIONES.

[99]

CONCLUSIONES.

El proyecto de control y monitoreo dentro del invernadero Holandés (Instalaciones SENASICA), fue reproducir las condiciones necesarias de supervivencia de la bacteria Huanglonbing de los Cítricos; estas condiciones de supervivencia son específicamente mantener una temperatura de 22 a 31ºC y una humedad del 90%.

Esta bacteria como lo mencionamos en el Capítulo 2 perjudica extremadamente el sector citrícola de nuestro país, las pruebas que se realizaron dentro de las instalaciones de SENASICA por 4 días, en donde la temperatura y humedad que requería el patógeno se mantuvieron constantes a pesar de que el clima en la zona se modifico en esos días. Pudimos observar que las condiciones con las que la bacteria puede sobrevivir se reproducen satisfactoriamente.

Para la reproducción de la bacteria se requieren de varios meses en los cuales los ingenieros agrónomos harán las pruebas para saber si la bacteria se pudo o no reproducir.

Figura 8.9. Panel de control de temperatura.

Una de las limitantes que se presento para la implementación del sistema fue el presupuesto, la SENASICA solo hizo el préstamo del invernadero, todo el material adicional para la implementación del sistema del proyecto corrieron por nuestra parte, por esta razón tuvimos que buscar la manera de reducir los costos de los sensores, el sistema de riego y de la tarjeta de adquisición de datos. Esta reducción en los costos fue a manera que fuera más económica, pero a la vez que el proyecto presentara una buena calidad, eficiencia y eficacia en el manejo de las variables.

Existen muchos tipos de sensores de temperatura en el mercado, cada uno se ajusta al proceso en el cual interactúa. En nuestro caso elegimos el sensor LM335 que es conocido por su bajo costo, además de ser aproximadamente lineal cubriendo el rango que necesitábamos para la medición del patógeno (como se muestra en la tabla 4.1 del capítulo 4). El sensor tuvo buen funcionamiento, una muy buena precisión y exactitud en las pruebas que hicimos durante los cuatro días de las pruebas.

Una de las características del sensor fue la implementación de un Circuito Acondicionador de Señal (CAS), porque necesitamos que la salida del sensor sea lineal y que esa salida además de ser lineal que comprendiera los rangos establecidos para las entradas del microcontrolador.

CONCLUSIONES.

[100]

A diferencia del sensor de temperatura, el sensor de humead se consiguió en el mercado, verificando que correspondiera a las necesidades que requeríamos dentro del proceso, hicimos la elección del sensor HMZ-433A de la empresa Ghintro tech, por su bajo costo, su linealidad y porque correspondía al rango de entrada para el A/D del microcontrolador (ver capitulo 4, 4.2 Humedad relativa). Este sensor tuvo un buen funcionamiento y en las pruebas de precisión y exactitud fue muy buena su respuesta.

La otra variable controlada que fue la iluminación y no hubo mayor problema, solo se activa cuando requiere una mayor temperatura, pero en las fechas de las pruebas fue en época de calor y no hubo muchas pruebas de la iluminación, esas pruebas serian en los meses de Diciembre a Febrero, que son los meses en donde desciende la temperatura.

Para el sistema de riego localizado, se cambio completamente el sistema tradicional que tenían las instalaciones, retirando las mangueras que servían para el riego dentro del invernadero y cambiándolas por un sistema de riego por goteo localizado. Se colocaron tuberías para que el riego fuera lo más individual posible y por otro lado para el ahorro de agua, de esta manera se ha solucionado un problema que tenia las instalaciones de SENASICA para el riego al no contar con el equipo necesario para poder hacer el riego en forma automática. El riego por goteo es una solución en general, muy óptima para el riego dentro del invernadero, reduce costos, solo riega el agua que necesite la planta y se hace un control muy sencillo.

El sistema de riego es controlado a base de dos variables principalmente, la temperatura y la humedad; estas variables nos indican cuando es necesario el riego, ya sea para decrementar la temperatura o para incrementar la humedad que requería la bacteria (HBL). EL riego es una de los principales elementos para la automatización de un invernadero.

Por otra parte, el desarrollo de este proyecto y de sus elementos adicionales, nos condujo a la necesidad de indagar en conocimientos que anteriormente se tenían de manera trivial, el conocimiento de microcontroladores PIC (específicamente gama 18FXXXX) de manera autónoma se logró con esfuerzo, alcanzando un grado de dominio, a la mejor no al cien por ciento, pero los conocimientos adquiridos cimentaron unas buenas bases.

Gracias a los conocimientos adquiridos se logró un paso muy importante para el desarrollo de este proyecto, el diseño de la Tarjeta de Adquisición de Datos. LA Tad es el puente principal para que la computadora o específicamente LabView entienda lo que está sucediendo a su alrededor; la tarjeta cuenta tanto con salidas analógicas como salidas digitales, el acoplamiento que se pensó en la implementación fue que el desarrollador utilice a su conveniencia las salidas, las salidas digitales se puedan usar como salidas de ancho de pulso (PWM), ya sea para aplicarlo a lámparas, motores, bombas, válvulas, etc. Las salidas analógicas se pensaron para que se pueda implementar un control on/off.

Con respecto al software LabView es una plataforma de desarrollo que con la práctica se convierte en una herramienta poderosa, tanto en monitoreo como en control. Los Vis que usa LabView nos facilitaron el trabajo de programación, ya que sencillamente se colocaron los Vis correspondientes a lo que se deseaba y el trabajo automáticamente lo realizó.

El acoplamiento de ambas herramientas tanto el PIC18F4550 como LabView, se integraron a una infinidad de proyectos que hoy en día están a disposición de los usuarios, solo cabe resaltar que esta tarjeta a comparación de las que diseña National Instrument varia demasiado en precio y en desempeño, también de que la TAD arbitrariamente no solo puede trabajar con el ambiente de

CONCLUSIONES.

[101]

lenguaje G, sino que se puede ocupar para distintos lenguajes de programación como puede ser Visual Basic, Java, etc.

La construcción de la Tarjeta se pensó que abarcaría un amplio campo de aplicaciones, después de su construcción nos pudimos dar cuenta que tanto para la enseñanza educativa como para aplicaciones industriales. La Tad es una herramienta de eficiente desarrollo, y en aprendizaje verdaderamente excepcional; para la parte educativa, a los usuarios les serviría mucho tener este dispositivo en sus laboratorios de práctica, ya que podrían evitarse estar diseñando circuitos en Protoboard o con diseños de PCB; con la TAD se enfocarían en la programación y la explotación de los recursos que la tarjeta brinda; de igual manera para las aplicaciones industriales, es una herramienta básica para el monitoreo y control de sus procesos en sus sistemas Scada.

Y como conclusión final podemos decir que aunque el sistema solo se incorporo a un cubículo dentro del invernadero (antes descrito), con un mayor presupuesto se podría incluir la automatización del invernadero completo.

ANEXOS.

[102]

A.1. LINEALIZACIÓN DE UNA FUENTE DE VOLTAJE CON UN CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL (CAS)

Sensor de Temperatura.

Para el diseño del circuito para sensar la temperatura se baso en el libro Coughlin Robert F., Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Prentice Hall 1999. Para esta aplicación se usara el circuito LM335, un sensor de temperatura de estado sólido que pertenece a una familia de dispositivos que posee una sensibilidad de 10 mV/ºK. Se usa en el caso de aplicaciones en las que se necesita medir temperaturas entre -10 y 100ºC, su diseño es similar al Zener de dos terminales. El estilo de encapsulado y el modelo se muestran en la figura A1.1 (a) y A1.1 (b), respectivamente. Este dispositivo puede funcionar por encima de un rango de corriente comprendido entre 400 y 5 µA. En la hoja de datos correspondientes al LM335 se observa que la sensibilidad del dispositivo es de 10 mV/ºK. Sin embargo, en el caso de nuestra aplicación lo que deseamos es medir grados Celsius. La relación que existe entre grados Kelvin y grados Celsius es la siguiente: una elevación de 1 grado en la escala de kelvin es igual a una elevación de 1 grado en la escala Celsius y el punto de congelación del agua es de 0ºC, y equivale a 273ºK.

Figura A.1. Linealización de una fuente de voltaje con un Circuito Acondicionador de señal (CAS)

La ecuación que representa al sensor. En la A1.2 se muestra una grafica del voltaje de salida del LM335 en función de la temperatura. La pendiente de la línea equivale a la sensibilidad del dispositivo: 10mV/ºK. Por lo tanto, el voltaje de salida expresado en ºK es el siguiente:

En la cual T es la temperatura en ºK. A 273º (0ºC), el voltaje del sensor es:

Como se puede observar en la figura A1.2

ANEXOS.

[103]

Figura A1.2. Grafica del voltaje en función de las características

Ahora es posible expresar el voltaje de salida del sensor en grados Celsius como en la siguiente ecuación:

En donde T es la temperatura expresada en grados Celsius. En el caso de nuestra aplicación, a 0ºC y a 50ºC . Este es el margen de voltaje de entrada correspondiente al CAS. El margen de salida del CAS viene a ser el margen de entrada del convertidor A/D, el cual esta comprendido entre 0 y 5 V. en la figura A1.3 se muestra el diagrama de bloques de este sistema de adquisición de datos para la medición de temperatura.

La ecuación que describe el comportamiento del SCC. Con base en la información de que disponemos sobre el sensor y el convertidor A/D, se grafican las características de entrada/salida del CAS. En la figura A1.3 se muestra esta grafica. Los valores de salida del CAS se grafican en el eje y. Hay que tener presente que estos valores corresponden al margen de voltaje del convertidor A/D de 0 a 5V. Los valores de entrada del CAS se grafican en el eje x. Estos valores son los del margen de voltaje del sensor -2.73 V a 3.23 V, en el caso de esta aplicación.

La pendiente de la recta es:

ANEXOS.

[104]

Figura A1.3. Diagrama a bloques del sistema medidor de temperatura. Con sus características de entrada y salida

Ese valor de 10 es la ganancia por la que hay que multiplicar . La desviación de cd se encuentra con solo elegir u punto de la línea y sustituirlo en la ecuación de la línea recta; . Después de elegir un par de coordenadas (273,0) se obtiene:

Resolviendo la ecuación para b se obtiene:

Por lo tanto, la ecuación de voltaje de salida del CAS es:

Diseño del circuito acondicionador de señal. Una vez conocida la ecuación del CAS, expresada en la forma y=mx+b, ahora deseamos un circuito en el que la ganancia de 10 y la desviación de -27.3 V se definan de manera independiente. Lo que se necesita es un amplificador operacional como el que se muestra en la figura A1.4: un amplificador inversor con ganancia de -1 seguido por un sumador inversor. La ecuación general del voltaje de salida del sumador es:

Con base en la correspondencia de los coeficientes de en la ecuación anterior se obtiene:

Si se elige , entonces . Correlacionando los términos correspondientes a la desviación de cd de las ecuaciones anteriores se obtiene:

ANEXOS.

[105]

Ecd se conecta a la fuente de +15 V. Dado que Ω, entonces Ω. Observar que Ecd es un voltaje positivo y que es un voltaje negativo que está a la entrada del sumador inversor. Dado que el LM335 genera voltaje positivo, , el amplificador inversor con ganancia de -1 se utiliza para generar , como se muestra en el circuito ya completo de la figura A1.4.

Figura A1.4. Diseño del CAS para el sensor de temperatura.

Circuito del sensor de temperatura con el LM335

Una vez que se sabes del funcionamiento del circuito sensor de temperatura, se procede a elaborar el circuito en PCB para su implementación física, para elaborar este diseño en PCB, anteponemos los recursos que ofrece el simulador ISIS y ARES de Proteus 7.7, programa que permite la simulación y el circuito PCB a la par. Ver figura A1.5.

Figura A1.5. Circuito empleado para la medición de temperatura con el LM335.

ANEXOS.

[106]

Nota: para hacer el circuito impreso era necesario meter bloques ya que no estaban disponibles la fuente y el sensor en proteus.

Figura A1.6. PCB del circuito de temperatura LM335.

ANEXOS.

[107]

A.2 Fuente de voltaje

Para el uso de los sensores fue necesario hacer una fuente de voltaje en la cual proporciona +/- 15 volts y 5 volts de Cd.

Este diseño de fuentes de voltaje solo agregamos más que sus conclusiones y lo más general.

Se uso un rectificador de onda completa, mediante el uso de un puente rectificador (cuatro diodos), se requirió que el transformador tuviera derivador central, porque con esas características pasamos a regular el voltaje negativo, ver figura A2.1.

A2.1. Rectificador de Onda Completa con puente.

El diseño de la fuente se muestra en las siguientes figuras (circuito impreso y diagrama de la fuente), que fue hecha en el simulador ISIS de Proteus.

Figura A2.2. Diagrama de la fuente de voltaje empleada para el proyecto.

ANEXOS.

[108]

Figura A2.3. Circuito impreso de la fuente utilizada.

A.3 Circuito impreso de la tarjeta de adquisición de datos

El circuito hecho para la tarjeta de adquisición de datos incluye el circuito para el LCD, el circuito de potencia para controlar la iluminación, la bomba para el riego, etc. Se mostraran por partes de cada circuito y al final se mostrara el impreso con los circuitos antes mencionados ya acoplados.

ANEXOS.

[109]

Figura A3.1. Circuito del LCD para la tarjeta de adquisición de datos.

Figura A3.2. Circuito de potencia para controlar la iluminación.

ANEXOS.

[110]

Este circuito se diseño de esta manera pensando usar las características de los opto acopladores, para llevar a cabo el control por medio de ancho de pulso (PWM).

Pero como se analizo en los primeros capítulos, las condiciones dentro del invernadero no se perturban rápidamente, si no al contrario, las variables del invernadero tienen una respuesta lenta, por esa parte se realizó el siguiente circuito A.3.3, para realizar un control on/off.

Figura A3.3. Circuito con salida de relay para un control on/off.

ANEXOS.

[111]

Figura A3.4. Circuito diseñado para la Tarjeta de Adquisición de Datos, con comunicación USB

ANEXOS.

[112]

Figura A3.5. Circuito impreso de la Tarjeta de Adquisición de Datos.

ANEXOS.

[113]

A.4 Descripción del software del PIC de la TAD

Con el Pic18f4550 se hará una comunicación tipo bulk transfers, entre el PIC y el Software del PC vía USB 2.0 a full speed. Se hará un firmware para el microcontrolador en CCS C. El driver para Windows y la .DLL mpsbapi.dll.

Para el firmware los VID&PID que espera encontrar el driver para Windows y el tamaño máximo del buffer de emisión-recepción del canal USB. Después se definirán los comandos que se procesan en el PIC e implementar las funciones.

Firmware para el PIC 18F4550 realizado en CCS C

La frecuencia de oscilación necesaria para el USB 2.0 es de 48 Mhz, pero el PIC solo dispone de 20Mhz es necesario utilizar el modulo PLL interno del PIC. Para utilizar el PLL utilizamos el HSPLL.

USB_ENABLE_BULK y SIZE 32

Para activar el método de transferencia masiva mediante el USB se configura los EndPoint de transmisión y recepción, USB_EP1_TX_ENABLE y USB_EP1_RX_ENABLE, indicándolo con la constante USB_ENABLE_BULK. En este caso se requieren solo 32 bits.

#include rr2_USB_Monitor.h

En el fichero rr2_usb_monitor.h, cargado con el correspondiente include, se definen las estructuras y parámetros necesarios para la conexión USB.

Otras funciones importantes son las funciones usb_init(), usb_task(), usb_wait_for_enumeration(), usb_enumerated(), usb_kbhit(), usb_get_packet() y usb_put_packet() están desarrolladas en el driver que nos proporciona CCS C para el manejo del USB 2.0 y vienen definidas e implementadas en los includes pic18_usb.h, usb.c y usb.h

VID&PID

El VID es un número de 16 bits que significa Vendor Identification o código que identifica al fabricante del hardware a conectar. En nuestro caso utilizamos el número 04D8h que identifica a Microchip. El PID es un número de 16 bits que significa Product Identification o código que identifica al dispositivo en concreto hardware a conectar. Se utiliza el 000Bh que identifica a la familia de los PIC18 de este fabricante.

USB_STRING_DESC[].

La tabla USB_STRING_DESC contiene la descripción del dispositivo detectado por el Driver de Windows XP.

USB_STRING_DESC contiene las descripciones requeridas y una tabla accesoria llamada USB_STRING_DESC_OFFSET, ambas constan de tres elementos cada una de ellas.

USB_STRING_DESC_OFFSET tiene tres números que indican cada uno de ellos donde comienza el correspondiente dato en la tabla USB_STRING_DESC.

USB_STRING_DESC contiene los tres strings de un primer byte que indica la longitud total de la correspondiente cadena, un segundo byte que indica el tipo de dato que viene a continuación y por último tantos bytes como sean necesarios como contenido del string.

El primer dato de esta tabla es:

ANEXOS.

[114]

4, USB_DES_STRING_TYPE, 0x09, 0x04 indica al Windows que los strings que siguen están escritos en ingles americano (US-English).

8, USB_DES_STRING_TYPE, 'I', 0, 'P', 0, 'N', 0 que define el string el nombre "IPN" del Hardware.

Y 22, USB_DESC_STRING_TYPE, 'E', 0, 'S', 0, 'I', 0, 'M', 0, 'E', 0, ' ', 0, 'Z ', 0, 'A', 0, 'C', 0, ' ', 0

, 0, 'C ', 0, 'O', 0, 'N', 0, 'T ', 0, 'R ', 0, 'O', 0, 'L', 0, que define el nombre del dispositivo como "PicUSB-ESIME"

Software en CCS Compiler para la tarjeta de adquisición de datos (TAD)

///////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// TAD.c //// //// //// //// Se desarrolla un sencillo dispositivo //// //// USB con el PIC18F4550 (para la serie 18Fxx5x) //// //// los drivers que se requiere para éste dispositivo son los que //// //// proporciona Microchip en su pagina web, y se basan en protocolo //// //// USB_ENABLE_BULK su XTAL es de 20Mhz. //// //// //// //// //// //// Cuando el dispositivo sea conectado al PC, saldrá el asistente //// //// para la instalación del driver. Se instala el driver //// //// que nos proporciona Microchip. //// //// /// //// El driver es configurado en C para que tenga la //// //// los derechos de los diseñadores. //// //// //////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// El diseño se limita a recibir un paquete de 32 bytes de la //// //// PC, mostrar en el puerto b el dato [0], introducir en el //// //// arreglo la informacion que se recibe del puerto A en dato [1] y //// //// del ADC configurado a 10 bits en dato [2] y dato [3] y devolver //// //// el paquete a la PC. //// //// //// ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// Realizado con el compilador CCS PCWH 4.093 //// //// Este programa fue desarrollado para estimular el uso del //// //// puerto USB y desarrollar tarjetas de adquisición económicas. //// //// Rivera Hernandez Angel pizzacho@hotmail.com //// //// Martinez Mendoza Mauricio shaka.mauricio@gmail.com //// //// Escobar Tahuilan Alberto albertoeta@gmail.com ////

ANEXOS.

[115]

#include <18F4550.h> #device ADC=10 #fuses HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN,MCLR,NOPBADEN // PLL1 = Para un Xtal de 4Mhz // PLL2 = Para un Xtal de 8Mhz // PLL3 = Para un Xtal de 12Mhz // PLL4 = Para un Xtal de 16Mhz // PLL5 = Para un Xtal de 20Mhz #use delay(clock=48000000) #include <LCD.C> #use standard_IO(B) //output_toggle(PIN_X) , input(PIN_X) #use standard_IO(C) ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// #define USB_HID_DEVICE FALSE // deshabilitamos el uso de las directivas HID #define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_BULK // turn on EP1(EndPoint1) for IN bulk/interrupt transfers #define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_BULK // turn on EP1(EndPoint1) for OUT bulk/interrupt transfers #define USB_EP1_TX_SIZE 32 // size to allocate for the tx endpoint 1 buffer #define USB_EP1_RX_SIZE 32 // size to allocate for the rx endpoint 1 buffer #include <pic18_usb.h> //Microchip PIC18Fxx5x Hardware layer for CCS's PIC USB driver #include <PicUSB.h> //descriptors del Pic USB #include <usb.c> //handles usb setup tokens and get descriptor reports #define BUZZ PIN_E2 //SALIDA DE BUZZZ para alarmas const int8 lenbuf=32; /////asiganacion de variables #define LEDV PIN_C6 #define LEDR PIN_C7 #define LED_ON output_high #define LED_OFF output_low #define recibo1 RX[0] #define Temperatura_usb TX[0] #define Humedad_usb TX[1] #define Luz_usb TX[2] ///////Asignamos tamaño de los arreglos// int8 RX[lenbuf]; int8 TX[lenbuf]; //declaramos variables globales unsigned int16 tempe,light,hum_x; ////////////////////////////////////////////////////////////////////// void temperatura (int16 q) float p; p=50*q/1024.0; lcd_gotoxy(2,6); printf(lcd_putc, "\nTEMP = %01.2f C", p); Temperatura_usb=p; usb_put_packet(1,TX,3,USB_DTS_TOGGLE); if(p>=30.0); LED_ON(BUZZ); delay_ms(100);

ANEXOS.

[116]

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void humedad (int16 hum_a) float hum_d; hum_d=5.0*hum_a/1024; lcd_gotoxy(2,7); printf(lcd_putc, "HUM= %01.2f %1c ",hum_d,'%'); Humedad_usb=hum_d; usb_put_packet(1,TX,3,USB_DTS_TOGGLE); delay_ms(100); /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void luz (int16 sun) float light; light=5.0*sun/1024; lcd_gotoxy(2,7); printf(lcd_putc, "Int. LUZ= %01.2f %1c ",light,'%'); Luz_usb=light; usb_put_packet(1,TX,3,USB_DTS_TOGGLE); delay_ms(100); ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void riego (void) printf(lcd_putc, "\nPresione para iniciar el riego"); delay_ms(100); /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void tiempo (void) /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void main() LED_OFF(BUZZ); //Apagamos la bocina LED_OFF(LEDV); //Apagamos led Verde LED_ON(LEDR); //Encendemos led Rojo set_tris_c(0x10000000); disable_interrupts(GLOBAL); //deshabilitamos todas las interrupciones set_tris_b(0xFF); // asiganacion las primeros 4 puertos como entrada los otros como salida output_b(0x00);//limpiamos el puerto b set_tris_d(0x00); //Configuracion para el puerto D como salida output_d(0x00); //Limpiamos el puerto D usb_init(); //inicializamos el USB usb_wait_for_enumeration(); //esperamos hasta que el PicUSB sea configurado por el host usb_task(); ///////////////////////CONFIGURACION DEL ADC 3 PUERTOS (A0,A1,A2)///////////// setup_comparator(NC_NC_NC_NC); // Se configuran los comparadores para entradas digitales (apagar los comparadores, igual que instrucción anterior) setup_adc_ports(0x0C);// configurando An0,An1 Y AN2 como entradas analogas,el resto digital. setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); /////////////////CONFIGURACION PWM//////////////////////////////////////////////

ANEXOS.

[117]

//////////////////////habilita periferico usb e interrupciones/////////////////// for(;;) if(usb_enumerated()) LED_OFF(LEDR); LED_ON(LEDV); lcd_init();//inicializamos el lcd //lcd_gotoxy(1,2); printf (lcd_putc, " TARJETA \nCONECTADA"); delay_ms(300); lcd_putc('\f'); tiempo(); if (usb_kbhit(1)) // en espera de un nuevo caracter en el buffer de recepcion usb_get_packet(1, RX, lenbuf); if(recibo1==1) lcd_putc('\f'); printf(lcd_putc,"TEMPERATURA"); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(0); delay_us(20); tempe=read_adc(); output_toggle (pin_B3); temperatura(tempe); delay_us(10); if(recibo1==4) lcd_putc('\f'); printf(lcd_putc,"Int. Luminosa"); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(2); delay_us(20); light=read_adc(); output_toggle (pin_B6); luz(light); delay_us(10); if(recibo1==2) lcd_putc('\f'); printf(lcd_putc,"HUMEDAD RELATIVA"); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(1); delay_us(20); hum_x=read_adc(); output_toggle (pin_B4); humedad(hum_x); delay_us(10); if(recibo1==8) lcd_putc('\f'); printf(lcd_putc,"RIEGO"); riego(); output_toggle (pin_B5); delay_us(10);

ANEXOS.

[118]

if(recibo1==3) int16 temp, hum; lcd_putc('\f'); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(0); delay_us(10); tempe=read_adc(); temperatura(tempe); delay_us(200); lcd_gotoxy(2,1); set_adc_channel(1); delay_us(10); hum_x=read_adc(); humedad(hum_x); delay_us(200); if(recibo1==5) lcd_putc('\f'); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(0); delay_us(10); tempe=read_adc(); temperatura(tempe); delay_us(200); lcd_gotoxy(2,1); set_adc_channel(2); delay_us(10); light=read_adc(); luz(light); delay_us(200); if(recibo1==7) lcd_putc('\f'); lcd_gotoxy(1,1); set_adc_channel(0); delay_us(10); tempe=read_adc(); temperatura(tempe); delay_us(200); lcd_gotoxy(2,1); set_adc_channel(1); delay_us(10); hum_x=read_adc(); humedad(hum_x); delay_us(200); lcd_gotoxy(1,20); set_adc_channel(2); delay_us(10); light=read_adc(); luz(LIGHT); delay_us(200); //end khbit //end if enumerated //end del for infinito

ANEXOS.

[119]

A.5 Sensores utilizados en el proyecto

Sensor de temperatura y humedad HMZ-433ª1

Figura A5.1. Características eléctricas del sensor de temperatura.

Figura A5.2. Voltaje de salida del sensor de humedad.

ANEXOS.

[120]

Figura A5.3. Dimensiones físicas del sensor de temperatura.

Figura A5.4. Pines de conexión.

Figura A5.5.Pines de trabajo de sensor de temperatura.

BIBLIOGRAFÍA.

[121]

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