Automatización de Una Casa Sombra
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AUTOMATIZACIN DE INVERNADEROS*Bautista M. O., **Maza V. C. A., Namigtle J. A., Prez D. A., Sosa M. N.
*UTTEH-PTC-002
**UTTEH-PTC-008
INTRODUCCIN
La luz y la temperatura son dos factores importantes para el desarrollo de los cultivos, ambos
tienen como origen la energa irradiada por el sol. La energa solar radiante es el factor
ambiental que ejerce mayor influencia sobre el crecimiento de las plantas. De ella dependen
la mayora de los procesos biolgicos, incluyendo la fotosntesis, que es el proceso
metablico especfico de ciertas clulas de los organismos auttrofos, por el que se
sintetizan sustancias orgnicas a partir de otras inorgnicas, utilizando la energa luminosa,
constituyendo la base de todas las cadenas alimenticias en la tierra1. La radiacin lumnica
proveniente del sol es absorbida por los cloroplastos y utilizada para la formacin y
asimilacin de compuestos de organismos complejos, a partir de dixido de carbono (CO2) y
de los elementos que la planta toma del suelo o los sustratos mediante las races.
La temperatura de un sitio determinado vara durante el da, dependiendo de las condiciones
climatolgicas. Por las maanas se registran los valores ms bajos y aumenta conforme
transcurre el da, presentando las mayores temperaturas entre las 13 y 16 horas, para
disminuir conforme declina el sol. Por la noche sigue disminuyendo y las temperaturas ms
bajas se presentan un poco antes de que salga el sol. El calor se transmite de tres formas
principales, la radiacin, la conduccin y la conveccin y en menor medida la reflexin.
Uno de los principales problemas que enfrenta la agricultura en invernaderos, sobre todo en
regiones de clima clido, es moderar y controlar los problemas derivados del incremento de
temperatura que ocurre en marcados periodos del ao, ya que reducen la calidad y cantidad
de la cosecha.
Para realizar el primer estudio, se determin seleccionar un invernadero con ventilacin
forzada, para el cultivo de Hongo Seta (Pleurotus spp). La ventilacin forzada se requiere
para el cambio de volumen de aire y control de la temperatura dentro del invernadero con
hongo Pleurotus spp (Ramn, 1996)2 3. Al cual se debe circular aire de 6 veces el volumen
del invernadero/h y mantener condiciones de temperatura entre 20 a 26C. Las
caractersticas del riego para el Pleurotus,indican que se debe considerar la proporcin delagua en el medio, normalmente este proceso va ligado al compromiso humano, depende
directamente del operador en turno, por lo que se debe tener un control de esta variable
fsica.
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Por lo anterior, esta primera etapa del proyecto se enfoca al estudio de la temperatura y la
determinacin de las variables que influyen en su comportamiento. Primero se realiz un
estudio de dinmica de fluidos, bajo las condiciones climticas de la zona y la geometra
correspondiente. Tambin se realiz una propuesta para el control y monitoreo de las
variables, mediante una interfaz mediante el uso del software LabView.
Para determinar el comportamiento de la temperatura y el volumen de aire dentro de un
invernadero vaco se utiliza un modelo numrico basado en la dinmica de fluidos
computacional (CFD, por sus siglas en ingls Computational Fluid Dynamics) para el anlisis
climtico del invernadero sin ventilacin forzada.
Para el monitoreo y control de temperatura y riego (MCTR) se realizaron las primeras
aproximaciones para el invernadero, mediante el software LabVIEW de National Instruments
con el fin de realizar lecturas y procesamiento de las seales elctricas, generadas por
variables fsicas a travs de sensores y recopiladas por DAQs. Las variables fsicas comotemperatura, humedad, velocidad del viento, etc., se deben considerar dentro y fuera de
invernadero, ya que a partir del comportamiento de estas, se pueden analizar cada punto en
el tiempo y obtener estadsticas de dichas variables. El objetivo es disear un ambiente
artificial que logre proporcionar las condiciones necesarias para cualquier proceso.
OBJETIVOS ESPECFICOS
Simular la dinmica de fluidos CFD del invernadero tipo tnel sin ventilacin forzada,para determinar el comportamiento de la direccin y temperatura del flujo de aire.
Disear el sistema de medicin de la temperatura.
Disear la interfaz grfica de usuario en Labview, para el monitoreo y control detemperatura del invernadero.
MARCO TERICO
La luz y la temperatura son dos factores de gran importancia para el desarrollo de los
cultivos, ambos tienen como origen la energa irradiada por el sol. La energa solar radiante
es el factor ambiental que ejerce mayor influencia sobre el crecimiento de las plantas. De ella
dependen la mayora de los procesos biolgicos, incluyendo la fotosntesis, que es el
proceso de conversin de la materia inorgnica en materia orgnica, constituyendo la base
de todas las cadenas alimenticias en la tierra. Los rayos luminosos son absorbidos por los
cloroplastos y utilizados para la formacin y asimilacin de compuestos de organismos
complejos, a partir de dixido de carbono y de los elementos que la planta toma del suelo o
los sustratos mediante las races. Esta es la fotosntesis4.
La temperatura de un sitio determinado vara durante el da. Por las maanas se registran los
valores ms bajos y aumenta conforme transcurre el da, presentando las mayores
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temperaturas entre las 13 y 16 horas, para disminuir conforme declina el sol. Por la noche
sigue disminuyendo y las temperaturas ms bajas se presentan un poco antes de que salga
el sol.
El calor se transmite de tres formas principales, la radiacin, la conduccin y la conveccin yen menor medida la reflexin. Estas formas en la naturaleza, se pueden presentar
combinadas afectando de diversas formas la termicidad de los invernaderos.
Temperatura mnima letal: aquella por debajo de la cual se producen daos en la planta.
Temperaturas mximas y mnimas biolgicas: indican valores, por encima o por debajo
respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase
vegetativa, como floracin, fructificacin, etc.
Temperaturas nocturnas y diurnas: indican los valores aconsejados para un correctodesarrollo de la planta.
Es importante conocer la distribucin de las temperaturas en un sistema para determinar los
puntos crticos dentro del mismo. Al conocer los puntos crticos de temperatura en un
sistema, se puede llevar a cabo la colocacin de sensores para monitorear las temperaturas
y su variacin durante el da y la noche. De esta manera se puede lograr controlar la
temperatura dentro de un invernadero, el cual necesita de las condiciones idneas para
poder cultivar un producto.
Uno de los principales problemas que enfrenta la agricultura en invernaderos, sobre todo en
regiones de clima clido, es moderar y controlar los problemas derivados del incremento de
temperatura que ocurre en marcados periodos del ao, ya que reducen la calidad y cantidad
de la cosecha5.
Un mtodo efectivo para el control del clima es la ventilacin, natural o forzada, y aunque la
ventilacin forzada sea ms predecible que la natural, su descripcin es compleja y una
simplificacin obliga un mayor conocimiento del proceso2. Para mantener un clima favorable
se debe evacuar el exceso de calor a causa de la alta insolacin presente en Tehuacn.
Ubicacin del invernadero bajo estudio
Las coordenadas geogrficas de Tehuacn son: paralelos 18 22' 6 y 18 36' 12 de longitud
norte, y los meridianos 97 15' 24 y 97 37' 24 de latitud occidental; a una altitud de 1.676
msnm, de clima semiclido y semiseco6. Las temperaturas pueden variar de 5 a 35 C
dependiendo de las estaciones del ao y variaciones de humedad del 35 al 95 %
dependiendo de las condiciones de temperatura durante el da7.
http://es.wikipedia.org/wiki/Msnmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Msnm -
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De acuerdo a Flores et al., 2011, la tasa de la ventilacin forzada es estable para
invernaderos menores de 30 m. de largo, independientemente a las condiciones exteriores.
Sin embargo es importante la posicin y capacidad de los ventiladores la cual debe ser un
factor importante de seleccin. Para velocidades de viento bajas, menores de 3 m/s, laventilacin mecnica adquiere mayor importancia que el flujo de aire exterior a causa del
efecto elico o trmico.
La ventilacin forzada se requiere para el cambio de volumen de aire y control de
temperatura dentro del invernadero con hongo Pleurotus8spp. Al cual se debe circular aire
de 6 veces el volumen del invernadero/h y mantener condiciones de temperatura entre 20 a
26C.
Datos experimentales sobre ventilacin mecnica en un cultivo de rosa indican que el
principal factor que determina la temperatura del aire en invernadero es la radiacin solar,pudindose aumentar la homogeneidad climtica sombreando slo la mitad del invernadero
donde el gradiente trmico sea ms marcado. La homogeneidad puede tambin mejorarse
manteniendo ventanas cenitales ligeramente abiertas, especialmente en invernaderos de
gran tamao2.
El anlisis computacional de la dinmica del fluido es una herramienta en el anlisis de la
ventilacin proporciona un panorama detallado del movimiento del aire y sus repercusiones
en el clima interior del invernadero2.
En este trabajo, se utiliza un modelo numrico basado en CFD para el anlisis climtico del
invernadero sin ventilacin forzada2para determinar el comportamiento de la temperatura y
el volumen de aire dentro de un invernadero vaco. El comportamiento de la temperatura se
puede comparar con un barrido de sensores, el cual se pretende hacer para la siguiente
etapa del proyecto as como el anlisis numrico en CFD de un invernadero con ventilacin
forzada y los soportes del cultivo.
Control y monitoreo de variables
Independientemente del tipo de invernadero, se debe tener un monitoreo en tiempo real paraaplicar un control de las variables fsicas a considerar. Por ejemplo, la ventilacin es esencial
en un invernadero para mantener un clima favorable al interior en los momentos de
insolacin. En consecuencia, ms all de un buen diseo se debe tener un buen monitoreo
de los puntos crticos de temperatura, y as tomar una decisin o decisiones adecuadas, que
en este caso sera un control de clima, entonces esto repercutir en un mejor cultivo y
proceso.
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El monitoreo y control de estas variables pueden hacerse de manera manual, cabe
mencionar que es la manera ms usada debido principalmente a un menor costo de
instalacin y mantenimiento.
Los estudios sobre la ventilacin forzada son escasos. La Sociedad Americana de ingenierosagrcolas (ASAE, por sus siglas en ingls American Society of Agricultural Engineers)
proporcionan las pautas de diseo de los sistemas de ventilacin forzada (ASAE, 1999); sin
embargo, Willits et al (2006) sealan las limitaciones de la normatividad de la ASAE y la
dificultad de incorporar con precisin el coeficiente de transpiracin en el clculo del sistema
de ventilacin.
El monitoreo de invernaderos se ha venido implementado usando Controladores Lgicos
Programables9 (PLCs), la mayora de estos estn configurados en sus puertos analgicos
para la adquisicin de datos y los puertos digitales para la operacin de actuadores. En la
figura 1 se muestra el diagrama de flujo del monitoreo de un invernadero utilizando uncontrolador lgico programable.
Figura 1. Diagrama de flujo del Monitoreo de un Invernadero utilizando un PLC.
Hoy en da la tendencia es hacia sistemas monitoreados y controlados en tiempo real, por
eso se opt por crear un sistema capaz de proporcionar datos suficientes en el tiempo
requerido. Se utilizar LabVIEW para disear el entorno grafico para la interaccin de
Usuario/Maquina.
Otro punto importante es la eleccin de los sensores, se utilizaron sensores LM35 (Precision
Centigrade Temperature Sensor), estos dispositivos proporcionar 10mV/ C, responde de
manera lineal; calibrado directamente en Celsius, rangos de -55 a 150 C, y baja impedancia
en la salida10.
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METODOLOGA
Caractersticas del invernadero
Se us un invernadero tipo tnel que dispone la Universidad Tecnolgica de Tehuacn y seencuentra dentro de sus instalaciones. Est ubicado en el poblado de San Pablo Tepetzingo,
municipio de Tehuacn, Puebla a 18.413747 N, 97.344361 O y una altitud de 1.676 m., ver
figura 2. El invernadero tiene una estructura de fierro galvanizado tipo tnel de 17.5 m de
largo x 6 m de ancho, una altura de 2.3 m en banda y 3.61 m en la parte ms alta, ver figura
3, un rea total de 18.8 m2
en la seccin transversal y un volumen aproximado de 330 m3. El
invernadero tiene orientacin oeste-este y est cubierto de material plstico.
Figura 2.Ubicacin del invernadero dentro de la Universidad Tecnolgica de Tehuacn
UNIVERSIDAD TECNOL GICA DE TEHUAC NUBICACIN DEL INVERNADERO18.413747 N, 97.344361 O
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Figura 3.Estructura del invernadero tipo tnel
Figura 4. Fotografa del invernadero tipo tnel en la Universidad Tecnolgica de Tehuacn.
Construccin del modelo computacional (CFD)
La construccin y simulacin de un modelo de elementos finitos (MEF), mediante dinmica
computacional de fluidos FLOTRAN CFD, con el software ANSYS 14.5, con lleva a la
realizacin de tres etapas fundamentales (pre-proceso, solucin y post-proceso). A
continuacin se describe brevemente cada una de estas etapas:
El pre-proceso est dedicado a la construccin de la geometra y divisin en un nmero finito
de elementos mediante una malla, ver figura 5.
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Este anlisis se realiza en tres dimensiones de acuerdo a las figuras 4 y 5, para obtener la
segunda etapa de solucin. Posteriormente se lleva a cabo el post-proceso donde se evalan
los datos obtenidos mediante el software. Cabe destacar que la simulacin de CFD, est en
su primera etapa a causa de la falta de recursos computacionales.
El movimiento del fluido est basado en procesos fsicos que se formulan como una serie de
ecuaciones en derivadas parciales. Principalmente, tres fundamentos fsicos las soportan:
balance de masa, momento y conservacin de energa. Su deduccin es tpicamente
explicada a travs de un balance de masa y energa sobre un volumen de control (Anderson,
1995); la ecuacin general de transporte en forma diferencial puede escribirse segn
(Patankar, 1980)2.
Figura 5.Geometra y mallado del invernadero tipo tnel.
Obtencin de datos climticos
La etapa de experimentacin se puede llevar a cabo con datos de monitoreo de las
estaciones meteorolgicas, las cuales estn disponibles en internet y tienen datos promedio
de las condiciones externas de la zona de Tehuacn. En las figuras 6, 7, 8, 9 y 10, se
muestran grficas de ciertos das del ao con condiciones propias de la poca.
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Figura 6.Grfica de temperaturas mximas y mnimas relativas del 5 al 11 de diciembre.
Figura 7.Grfica de presin atmosfrica (mb) en intervalos de 3 horas del 5 al 11 de diciembre.
Figura 8.Grfica de precipitacin y Nubosidad (%) en intervalos de 3 horas del 5 al 11 de diciembre.
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Figura 9.Grfica de la velocidad del viento en intervalos de 3 horas del 5 al 11 de diciembre.
Figura 10.Grfica de la humedad relativa en intervalos de 3 horas del 5 al 11 de diciembre.
Propuesta para el monitoreo y control con el software LabVIEW
Para este proyecto se propone la adquisicin y monitoreo de datos a partir de una Data
Acquisition Board (DAQ USB). Para lograr esta adquisicin primero se debe elaborar un
algoritmo en la plataforma de programacin LabVIEW11, este algoritmo proporciona la
informacin en tiempo real y almacena informacin mediante el uso del algoritmo generador
consumidor.
En la figura 11 se observa la lectura de la temperatura de cada punto especfico dentro del
invernadero. En la figura 12 se muestra la distribucin geomtrica de estos puntos. El
objetivo es monitorear de manera transversal la temperatura del invernadero. Una vez que se
adquieren los datos, se toman datos de la siguiente seccin transversal a 50 cm, para llevar
a cabo el barrido total.
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Figura 11. Interfaz grfica de lectura de datos de los sensores de temperatura usando LabVIEW 2013.
Figura 12. Distribucin de sensores de temperatura ubicados en una malla transversal
Los puntos rojos representan los sensores de temperatura, con un total de 82 sensores. Con
este arreglo se pretende realizar el barrido de temperatura dentro del invernadero, con
intervalos de 50 cm. Una vez obtenidos los datos se har una representacin grfica 3D del
comportamiento de la temperatura de manera que se pueda cotejar con los anlisis de
ANSYS.
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RESULTADOS
En el procesamiento FLOTRAN CFD de ANSYS, se obtienen comportamientos de
temperatura preliminares de datos promedio, como la temperatura que oscila entre 251.58 a338.039 K y velocidad del viento de 0 a 152 m/s, dentro del tnel vacio con direccin de este
a oeste. En las figuras 13 y 14 se observa el corte longitudinal del comportamiento de la
temperatura y velocidad en el invernadero.
El mallado que se muestra en la figura 5, tiene una cantidad de 24413 elementos tipo
FLUID142 para geometra 3D con un tamao aproximado de 0.5 m. distribuidos
equidistantemente, y 5200 nodos.
Figura 13.Corte longitudinal de las temperaturas en el invernadero.
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Figura 14.Corte longitudinal del comportamiento de la velocidad en el invernadero, esquematizada convectores y colores.
ACTIVIDADES PENDIENTES
El anlisis numrico CFD para el invernadero con ventilacin forzada es una de lasmetas a alcanzar despus de tener los recursos necesarios, para realizar
simulaciones que requieren mayores recursos de procesamiento computacional.
Desarrollar e implementar un prototipo de una estacin meteorolgica para el
monitoreo de temperatura, humedad relativa, velocidad y direccin del viento.
Se construir la malla para colocar el arreglo de 82 sensores de temperatura y se
adaptar dentro del invernadero, para la adquisicin de datos. Como instrumento de
adquisicin de datos se utilizar la tarjeta NI CompactDAQ 9174 con el modulo NI
9219 (mdulo de entradas analgicas). Para ello se debe disear un sistema demultiplexado de datos, ya que el modulo analgico solo cuenta con 4 entradas
analgicas.
Creacin de una pgina web desde LabVIEW para realizar el monitoreo y/o control va
internet o intranet de la Universidad, ya sea desde un dispositivo mvil (iPad), Laptop
o PC.
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ANEXOS
Diseo e implementacin de una interfaz grfica como prototipo de una estacin
meteorolgica usando MATLAB
Se dise e implement una interfaz grfica de usuario como prototipo de una estacin
meteorolgica usando el software MATLAB12, para el monitoreo en tiempo real de las
condiciones ambientales del lugar en donde se encuentra el invernadero tipo tnel.
El objetivo principal de la estacin meteorolgica es visualizar en tiempo real las variables de
temperatura, humedad, viento, direccin del viento; y tener una referencia para comparar los
datos adquiridos de cada una de las variables con esta herramienta, con los datos de
monitoreo de las estaciones meteorolgicas que estn disponibles en internet y los datos
promedio de las condiciones externas de la zona de Tehuacn.
En la figura 15 se observa la interfaz grfica de usuario de la estacin meteorolgica
desarrollada en MATLAB.
Figura 15. Interfaz grfica de usuario de estacin meteorolgica desarrollada en el software MATLAB.
La etapa de adquisicin de los datos provenientes de los sensores de temperatura, humedad
y viento, se realiza usando la tarjeta Arduino Uno13
, y posteriormente se hace la lectura de
dichos datos usando el puerto COM a partir de las funciones de comunicacin serial de
MATLAB.
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Los datos provenientes de los sensores se visualizan en forma grfica por medio de la
interfaz grfica de usuario de la estacin meteorolgica. La Interfaz de usuario permite
almacenar todos los datos adquiridos de las diferentes variables en MATLAB, en archivos
con extension .txt y .xlsx. El almacenamiento de los datos de las diferentes variables fsicas
medidas con la estacin meteorolgica, se hace con la finalidad de generar una base dedatos y actualizar constantemente esta informacin en una pgina web para que sea
compartida a muchos usuarios.
REFERENCIAS
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http://www.rae.es/http://www.rae.es/http://www.rae.es/http://www.ti.com/http://www.ti.com/http://www.ti.com/http://www.mathworks.com/products/matlab/http://www.mathworks.com/products/matlab/http://www.mathworks.com/products/matlab/http://www.arduino.cc/es/http://www.arduino.cc/es/http://www.arduino.cc/es/http://www.arduino.cc/es/http://www.mathworks.com/products/matlab/http://www.ti.com/http://www.rae.es/
