PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROL DE RIEGO PARA...

PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROL DE RIEGO PARA UN CULTIVO DE SOYA CON SUPERVISIÓN REMOTA DE HUMEDAD

DIEGO CARVAJAL TABARES JUAN SEBASTIÁN HINCAPIÉ RUIZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ING. ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2016

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PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROL DE RIEGO PARA UN CULTIVO DE SOYA CON SUPERVISIÓN REMOTA DE HUMEDAD

DIEGO CARVAJAL TABARES JUAN SEBASTIÁN HINCAPIÉ RUIZ

Proyecto de Grado

Para optar por el título de Ingeniero Electrónico

Directora del Proyecto Ing. Erika Sarria Navarro, Esp. Ing.

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ING. ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2016

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Este trabajo de grado, en la modalidad de Investigación aplicada, es aceptado como uno de los requisitos para obtener el título de Ingeniero Electrónico en la Universidad de San Buenaventura Cali. ____________________________________________

Oscar Casas García, Mg. Ing.

____________________________________________ Vladimir Trujillo Olaya, Mg. Ing.

____________________________________________ Erika Sarria Navarro, Esp. Ing.

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Durante estos últimos años he vivido las experiencias más significativas para mi

formación profesional actual, cada uno de ellas me ha permitido avanzar para lograr

cumplir este primer objetivo que finaliza dentro de poco, algunas de ellas frustrantes

al no ser nada fáciles de sobrepasar, pero para ello es gratificante saber que conté

y espero seguir contando con personas que me apoyaron y guiaron en todo su

transcurrir.

Quiero empezar por darle gracias a mi mamá, María Eugenia, por creer en mis

decisiones, apoyarme en cada una de ellas, por los sabios y excelentes consejos

que me aportó en cada momento de esta etapa, sin ella no hubiese sido posible

alcanzar este primer objetivo.

A mi directora Erika que, con su sabiduría y experiencia hizo posible la finalización

de este proyecto contribuyendo a gran escala en cada punto de su desarrollo. Poner

en práctica todas sus recomendaciones fue difícil pero finalmente se logró de la

mejor manera, gracias a ella porque se convirtió en más que nuestra directora,

nuestra amiga.

A mis amigos principalmente Diego y Héctor por su apoyo y por brindar ese espacio

de diversión que es necesario para distraer la mente para luego poder continuar

estudiando y trabajando más relajado.

A mi familia por creer que en mí, apoyarme y aconsejarme en cada momento, a mi

tío en especial que sin su ejemplo no hubiese conocido este camino de la electrónica

complicado pero bello.

A Laura, mi novia, que ha sido mi fuente de motivación para continuar cada día y

poder cumplir mis metas, por estar ahí en todo momento, porque como dicen,

cuando ella está a mi lado me siento inspirado.

A todas estas personas y las que faltan por nombrar les doy mis más sinceros

agradecimientos por ser parte de este proceso de formación profesional y humano

que su primera etapa finaliza dentro de poco, y espero poder seguir contando con

ustedes durante las etapas que vienen.

Juan Sebastian Hincapié Ruiz

5

“Todo tiene su final, nada dura para siempre” Héctor Lavoe.

Quién lo diría, después de tantos regaños aprendí a citar…

Ante la alegría de haber culminado esta etapa de nuestra carrera, quiero dar mis

más sinceros agradecimientos a todas las personas que nos acompañaron en este

proceso.

A nuestra directora Erika Sarria por los regaños, las correcciones y demás molestias

causadas que permitieron que este trabajo se realizara de manera satisfactoria,

posiblemente cuando esta página me la aprueben es porque ya ha pasado por 5

correcciones tuyas, así que muchas gracias por tu colaboración y ten en cuenta que

siempre vas a ser parte fundamental de este proyecto.

A mi compañero de proyecto y mejor amigo Sebastián, por aguantarme en mis días

de no querer hacer nada, por los consejos y el apoyo brindado en la parte técnica

para la realización de esta meta, por las comidas brindadas en su casa por él y su

familia mientras nos desgastábamos la cabeza corrigiendo cada detalle para hacer

de este un buen proyecto.

A mi familia por dejarme de preguntar cuando voy a acabar el proyecto, por su apoyo

emocional cuando no quería seguir trabajando, por los consejos y demás ayudas

que me permitieron terminar con este proyecto de la mejor manera.

A mi amigo Héctor Toro realmente por nada, pero no queremos que hagas falta en

este trabajo. Mentiras, gracias por el apoyo, por ayudarnos a cuidar el cultivo, por la

buena vibra, los momentos de risa y de enojo que nos ayudaron a llevar esta etapa

de la mejor manera.

Y a los demás no sé porque les agradezco pero bueno, que nunca falte la cortesía.

Mil gracias…

Diego Carvajal Tabares.

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CONTENIDO

Pag. CONTENIDO ........................................................................................................... 7

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. 11

LISTA DE TABLAS ................................................................................................ 15

LISTA DE ANEXOS .............................................................................................. 17

GLOSARIO ............................................................................................................ 19

RESUMEN ............................................................................................................ 21

ALCANCE DEL PROYECTO ................................................................................ 23

1. DEFINICION DEL PROBLEMA. ................................................................. 25

2. JUSTIFICACION. ........................................................................................ 27

3. OBJETIVOS. ............................................................................................... 29

3.1. OBJETIVO GENERAL: ............................................................................... 29

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ...................................................................... 29

4. MARCO DE REFERENCIA ........................................................................ 31

4.1. TIPOS DE RIEGO Y CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS ................... 31

4.2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE LA SOYA ......................................... 33

4.3. INVESTIGACIONES EN LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN .................. 34

4.4. TIPOS DE CONTROL EN LOS SISTEMAS DE RIEGO ............................. 36

4.4.1. Control ON/OFF. ......................................................................................... 36

4.4.2. Control PD y Control PID. ........................................................................... 40

4.4.3. Control mediante PLC y Microcontrolador. ................................................. 41

8

4.5. TIPOS DE COMUNICACIÓN REMOTA. .................................................... 42

4.5.1. Tecnología 3G y GSM ................................................................................ 42

4.5.2. Tecnología Zigbee ...................................................................................... 44

4.5.3. Tecnología Bluetooth .................................................................................. 45

5. MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 47

5.1. AGRICULTURA DE PRECISIÓN. .............................................................. 47

5.1.1. Tipos de Variabilidad Agrícola. ................................................................... 47

5.1.2. Tipos de Riego. ........................................................................................... 48

5.1.3. Evapotranspiración ..................................................................................... 49

5.2. METODOS DE CONTROL ......................................................................... 50

5.2.1. Control ON/OFF: ......................................................................................... 51

5.2.2. Control por Histéresis: ................................................................................ 51

5.2.3. Control Proporcional: .................................................................................. 51

5.2.4. Control integral: .......................................................................................... 52

5.2.5. Control derivativo: ....................................................................................... 52

5.3. TIPOS DE ACTUADORES Y SENSORES ................................................. 53

5.3.1. Electroválvula ............................................................................................. 53

5.3.2. Sensores de Humedad del Suelo ............................................................... 55

5.4. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN A DISTANCIA: ...................................... 58

5.4.1. Red WPAN (Wireless Personal Area Network). .......................................... 58

5.4.2. Red WLAN (Wireless Local Area Network). ................................................ 59

5.4.3. Red WMAN (wireless Metropolitan Area Network). .................................... 59

5.4.4. Red WWAN (Wireless Wide Area Network). ............................................... 60

5.4.5. Tabla comparativa Tecnologías de comunicación inalámbrica. .................. 61

6. SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA EL PROYECTO ......................... 63

6.1. Tipo de Riego. ............................................................................................ 63

6.2. Actuador. .................................................................................................... 64

6.3. Sensor de Humedad. .................................................................................. 65

6.4. Sistema de Comunicación. ......................................................................... 68

6.5. MÓDULO DE COMUNICACIÓN. ................................................................ 69

6.5.1. Sim 900, SimCom. ...................................................................................... 69

9

6.5.2. M95, Quectel. ............................................................................................. 70

6.5.3. Cotización y compra del módulo de comunicación. .................................... 70

6.6. MICROCONTROLADOR. ........................................................................... 73

6.6.1. Freescale. ................................................................................................... 73

6.6.2. Microchip. ................................................................................................... 74

6.6.3. Atmel. .......................................................................................................... 74

6.7. Método de Control. ..................................................................................... 74

7. DESARROLLO DEL PROYECTO .............................................................. 77

7.1. Funcionamiento general del sistema. ......................................................... 77

7.2. Comunicaciones. ........................................................................................ 78

7.2.1. Especificaciones básicas del módulo GSM/GPRS. .................................... 78

7.2.2. Descripción física del Shield M95. .............................................................. 79

7.3. Actuador. .................................................................................................... 82

7.4. Panel de visualización. ............................................................................... 83

7.5. Sensor. ....................................................................................................... 84

7.5.1. Distribución de los sensores. ...................................................................... 84

7.5.2. Fallas en el sistema. ................................................................................... 85

7.6. Tarjeta de control. ....................................................................................... 85

7.6.1. Etapa de potencia. ...................................................................................... 86

7.6.2. Microcontrolador. ........................................................................................ 87

7.6.3. Indicadores. ................................................................................................ 90

7.6.4. Pines de comunicación. .............................................................................. 91

7.6.5. Pines de entrada y salida para módulo GSM/GPRS, sensores y Display... 91

7.6.6. Diagrama esquemático general y diseño de board. .................................... 92

7.7. SOFTWARE ............................................................................................... 95

7.7.1. Configuración Física del Dispositivo. .......................................................... 96

7.7.2. Declaración de Variables e Interrupciones ................................................. 97

7.7.3. Configuración Inicial del Sistema ................................................................ 97

7.7.4. Control del Riego ........................................................................................ 97

7.7.5. Verificación de Ordenes Vía SMS para el Funcionamiento Manual ........... 99

7.7.6. Recepción de Información del Módulo GSM/GPRS ................................. 100

7.7.7. Actualización De Hora y Variables No Volátiles ........................................ 100

10

7.8. Interaccion con el sistema ........................................................................ 100

7.7.8. Estados del display ................................................................................... 100

7.7.9. Mensajes informativos. ............................................................................. 103

8. RESULTADOS ......................................................................................... 107

8.1. Terreno. .................................................................................................... 107

8.2. Sistema de riego. ...................................................................................... 109

8.2.1. Prueba capacidad de goteros. .................................................................. 109

8.2.2. Instalación del sistema de riego. ............................................................... 110

8.3. Sensor. ..................................................................................................... 111

8.3.1. Prueba distancia 10cm. ............................................................................ 111

8.3.2. Prueba distancia 15cm ............................................................................. 112

8.3.3. Prueba distancia 20cm. ............................................................................ 113

8.3.4. Distancia seleccionada. ............................................................................ 114

8.3.5. Daño de sensores por corrosión. .............................................................. 114

8.4. Siembra y crecimiento del cultivo. ............................................................ 115

8.4.1. Seguimiento del cultivo. ............................................................................ 117

8.4.2. Comparación de riego manual y riego automático. ................................... 121

8.5. Sistema embebido final. ............................................................................ 122

9. CONCLUSIONES ..................................................................................... 125

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 127

ANEXO A: Manual de usuario ............................................................................. 133

11

LISTA DE FIGURAS

Pag. Figura 1: Influencia de la textura en la capacidad hídrica del suelo ...................... 32

Figura 2: Comparación del error acumulado en los tres controladores ................. 37

Figura 3: Comparación gasto de agua generado por los tres controladores ......... 37

Figura 4. Sistema de control ON OFF con histéresis ............................................ 38

Figura 5. Control de variables de una incubadora. ................................................ 39

Figura 6: Respuesta ante entrada escalón con controlador PID. .......................... 40

Figura 7: Respuesta ante entrada escalón con controlador PD. ........................... 41

Figura 8: Cultivo con sistema de riego por aspersión ............................................ 48

Figura 9: Cultivo con sistema de riego por goteo .................................................. 49

Figura 10: Cultivo con sistema de riego por inundación ........................................ 49

Figura 11: Control ON/OFF con Histéresis ............................................................ 51

Figura 12: Respuesta a una acción proporcional. ................................................. 52

Figura 13: Acción integral (a) vs acción proporcional (b) sobre una señal con error diferente de cero. ......................................................................... 52

Figura 14: Partes de la electroválvula. .................................................................. 53

Figura 15: Tensiómetro, Irrometer ISR-150 ........................................................... 56

Figura 16: Sensor resistivo análogo de Humedad. ................................................ 56

Figura 17: Sensor capacitivo EC-5. ....................................................................... 57

Figura 18: Sensor TDR ......................................................................................... 58

Figura 19: Sim900. ................................................................................................ 69

Figura 20: M95 ...................................................................................................... 70

Figura 21: Bucla de control.................................................................................... 75

12

Figura 22: Acción de control .................................................................................. 75

Figura 23: Diagrama de bloques. .......................................................................... 78

Figura 24: Shield M95 Top .................................................................................... 79

Figura 25: Circuito esquemático M95 + base para SIM......................................... 79

Figura 26: Circuito esquemático regulador de voltaje. .......................................... 80

Figura 27: Circuito esquemático comunicación serial. .......................................... 80

Figura 28: Pulsadores de encendido y apagado. .................................................. 81

Figura 29: Pines del Shield M95 ............................................................................ 81

Figura 30: Circuito de acople con electroválvula. .................................................. 83

Figura 31: Conexión del display a la tarjeta de control .......................................... 83

Figura 32: Sensor de humedad. ............................................................................ 84

Figura 33: Distribución de Sensores. .................................................................... 84

Figura 34: Esquemático etapa de potencia. .......................................................... 86

Figura 35: ATMEGA 324P ..................................................................................... 88

Figura 36: Esquemático del microcontrolador. ...................................................... 90

Figura 37: Esquemático LED indicadores. ............................................................ 91

Figura 38: Conector ISP para programación. ........................................................ 91

Figura 39: Esquemático Conexión Módulo GSM/GPRS, display y sensores. ....... 92

Figura 40: Esquemático circuito final. .................................................................... 93

Figura 41: Board circuito final. ............................................................................... 94

Figura 42: Circuito final físico. ............................................................................... 95

Figura 43: Diagrama de bloques del programa ..................................................... 96

Figura 44: Display en la configuración inicial....................................................... 101

Figura 45: Display en modo de envío de mensaje .............................................. 102

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Figura 46: Display en modo de muestra de estado (húmedo) ............................. 102

Figura 47: Invernadero USB. ............................................................................... 108

Figura 48: Terreno a cultivar. .............................................................................. 108

Figura 49: Manguera para riego. ......................................................................... 109

Figura 50: Gotero. ............................................................................................... 109

Figura 51: Prueba de capacidad de goteros........................................................ 110

Figura 52: Llenado después de 20 minutos. ....................................................... 110

Figura 53: Instalación de sistema de riego. ......................................................... 111

Figura 54: Fenómeno de Corrosión Electrolítica ................................................. 114

Figura 55: Instalación eléctrica. ........................................................................... 116

Figura 56: Instalación final de todo el sistema..................................................... 116

Figura 57: Dispositivo final lado A. ...................................................................... 122

Figura 58: Dispositivo final lado B ....................................................................... 123

Figura 59: Dispositivo final lado C. ...................................................................... 123

Figura A.1: Sensores de humedad instalados de manera correcta con el sistema de riego. .............................................................................. 133

Figura A.2: Sistema de riego en modo de configuración. .................................... 134

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LISTA DE TABLAS

Pag. Tabla 1: Características del suelo ......................................................................... 33

Tabla 2: Comparación entre distintas generaciones de tecnologías móviles ........ 43

Tabla 3: Características Tecnología Zigbee .......................................................... 44

Tabla 4: Comparación Tecnologías de comunicación inalámbrica. ....................... 62

Tabla 5: Cotización Electroválvulas. ...................................................................... 64

Tabla 6: Cotización Sensores de humedad. .......................................................... 66

Tabla 7: Cotización Módulo GSM/GPRS ............................................................... 71

Tabla 8: Funcionalidad de pines del módulo M95. ................................................ 82

Tabla 9: Descripción de pines ATMEGA 342P ...................................................... 88

Tabla 10: Prueba sensor humedad a 10cm......................................................... 112



Tabla 13: Cronología de crecimiento del cultivo. ................................................. 117

Tabla A.1: Mensajes enviados de manera autónoma por el sistema en operación. ........................................................................................... 135

Tabla A.2: Comandos admitidos por el sistema para generar alguna acción ...... 137

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LISTA DE ANEXOS

Pag. ANEXO A: Manual de usuario ............................................................................... 133

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GLOSARIO Agricultura de precisión: Optima utilización de los recursos naturales y otros requerimientos que necesite un cultivo, conociendo el momento y lugar adecuado para utilizarlos. Esto se hace mediante el uso de tecnologías electrónicas que permitan saber el estado de las variables que lo afectan. Arcillar: Abonar la tierra silícea con arcilla para mejorar su rendimiento. Clases texturales: Clasificación que puede tener el suelo de acuerdo a su contenido de arcilla, limo y arena. Esto afecta las propiedades que puede tener el suelo como lo son la cantidad de agua y aire que retienen, y la velocidad con que el agua lo penetra. Comandos AT: Seudónimo que se le da al conjunto de comandos Hayes desarrollados por la compañía Hayes Communications para la configuración de módems. El significado de AT es “atención” que antecede a todos los comandos de este conjunto. Conductividad hidráulica: Oposición que presenta un medio al flujo de agua por unidad de área transversal en dirección del flujo, cuando esta intenta atravesarlo. Es conocida como Ley de Darcy Contenido Volumétrico de Agua (VWC): Porcentaje de volumen que representa el agua en un material, donde el volumen total corresponde al volumen del material sumado al del agua y el del espacio vacío. Histéresis: Capacidad que tiene un objeto, una variable o un material para conservar un estado así el estímulo que lo haya causado no esté presente. Nivel freático: Distancia a la que se encuentra el agua desde la superficie del terreno. Procesamiento Digital de Señales (DSP): Las señales son tensiones o corriente que contienen información, pueden originarse de forma natural o artificial. En la electrónica el procesamiento digital de señales, captura la señal de una forma discreta para luego entregarla a un dispositivo que la requiera de forma digital. Esta es una característica de algunos microcontroladores fabricados para este tipo de propósitos. Servicio general de paquetes vía radio (GPRS): Extensión del sistema GSM que transmite datos mediante la conmutación de paquetes lo cual mejora su velocidad de transmisión. Shield: Placa o armazón que sostiene un conjunto de componentes.

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Sistema global de navegación por satélite (GNSS): Red de satélites que permite conocer la ubicación en coordenadas exactas en cualquier punto de la tierra de un dispositivo transmisor receptor. Sistema global para las comunicaciones móviles (GSM): Estándar mundial para las comunicaciones móviles, resultado de una modificación al sistema de múltiple acceso por división de tiempo (TDMA) capaz de transmitir voz y datos este sistema usa las frecuencias de 850 MHz, 900MHz 1800Mhz y 1900MHz que dependen del país donde se use. Unidades de datos de protocolo (PDU): Forma que adopta la información que se intercambia entre capas en el modelo OSI. Puede contener información de control, direcciones o datos.

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RESUMEN

Este proyecto de grado presenta el desarrollo de un prototipo de control de riego para un cultivo de soya con supervisión remota de humedad. Busca aplicar la agricultura de precisión y facilitarle al usuario el monitoreo a distancia. Se seleccionó la soya como un cultivo específico a intervenir, debido a las condiciones ambientales del Valle del Cauca, y a la necesidad de limitar la aplicación, debido a los requerimientos hídricos diferentes de cada cultivo. Para este proyecto se diseñó un sistema embebido que se encarga de controlar (a través de control ON/OFF con histéresis) el sistema de riego con base a la información obtenida de sensores de humedad de suelo instalados en el terreno, enviar mensajes de texto mediante un módulo GSM/GPRS al usuario para que este informado del estado del cultivo, y actuar en caso de fallas del sistema de riego o de los sensores. El sistema de riego elegido fue por goteo por presentar el mejor aprovechamiento de agua al ser un riego localizado. La implementación del proyecto se realizó en el invernadero de la Universidad de San Buenaventura Cali, donde se tuvo a disposición una cama para siembra, donde con el espacio suficiente para sembrar dos filas de soya, se pudo realizar la comparación entre el método tradicional y el método controlado automáticamente obteniendo resultados muy similares en velocidad de crecimiento, cantidad y calidad del producto obtenido. Palabras claves: Agricultura de Precisión, Sistema de Riego, Control ON/OFF

con Histéresis, Sensor de Humedad, Comunicaciones, Modulo GSM/GPRS,

Cultivo de Soya, Riego Localizado.

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ALCANCE DEL PROYECTO El dispositivo construido permite el control del riego en un cultivo de soya e informa al usuario del estado del sistema. Algunas de las características generales de la implementación de este proyecto son:

Para la etapa de procesamiento del dispositivo se utilizó un microcontrolador ATMEGA324P. Este microcontrolador se programó en lenguaje BASIC haciendo uso del compilador BASCOM AVR, y se programó directamente en el circuito impreso mediante la interfaz ISP.

Para la notificación remota al usuario del estado del sistema se usó un módulo GSM/GPRS M95 de Quectel. Este envía mensajes de texto según ciertos eventos del sistema y recibe los mensajes que envía el usuario para supervisión y control. Esto es muy importante para el funcionamiento manual del sistema con el cual se permite la activación del riego en caso de decisión autónoma del usuario.

El riego seleccionado es por goteo. En este caso se implementó con una manguera de polietileno de 3 m y 8 goteros con capacidad de suministrar 4 litros de agua en una hora.

Para medir la humedad del terreno se utilizaron 4 sensores resistivos de humedad de suelo HL-69.

Como actuador se usó una electroválvula de 1/2´ normalmente cerrada que permite controlar el flujo de agua.

El método de control usado fue el control ON/OFF con histéresis, que permite tener dos valores de control: el nivel bajo es usado para indicar que el terreno está muy húmedo haciendo que el actuador se apague, el nivel alto es usado para indicar que el terreno está seco haciendo que el actuador se encienda e inicie el riego. La acción de iniciar el riego evalúa más factores como el último riego realizado y estado del sistema para evitar que se realicen riegos adicionales o en un estado de falla

Se implementó el dispositivo en el invernadero de la Universidad de San Buenaventura Cali en una cama para siembra de 3 m de largo por 1 m de ancho, espacio suficiente para sembrar dos filas de soya, una de ellas con el sistema de riego automático instalado, y otra en la que se implementó el riego manual.

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Este proyecto se presentó en el Encuentro Interno de Semilleros de Investigación de la Universidad de San Buenaventura Cali, obteniendo el puntaje necesario para participar en el XII Encuentro Departamental de Semilleros de Investigación – REDCOLSI, evento que se llevó a cabo en mayo de 2015.

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1. DEFINICION DEL PROBLEMA. Desde la firma del tratado de libre comercio con Estados Unidos, Colombia como país agricultor obtuvo licencia para el ingreso de 74 productos nuevos en esta región, lo cual implica que existe la necesidad de un crecimiento en las zonas de cultivos, para lograr una producción más eficiente de tal manera que se pueda dar abasto a la demanda exigida. (El Pais, 2012). La búsqueda constante de alternativas para el aprovechamiento adecuado de los recursos, hace necesaria la aplicación de nuevas tecnologías en el sector rural generándose diferentes desafíos tanto para la ingeniería, como para las áreas afines al sector agropecuario. Países como EE.UU, Argentina, Brasil y Chile son pioneros en América Latina en la implementación de sistemas enfatizados en la agricultura de precisión, proceso que consiste en aplicar la cantidad exacta de insumos, en el momento y lugar adecuados haciendo uso de la tecnología de la información para adecuar el manejo de suelos y cultivos a la variabilidad presente dentro de un lote (Humedad, permeabilidad, temperatura, PH, etc.). Estos sistemas precisan la utilización de sistemas de posicionamiento global (GPS) y de otras tecnologías electrónicas para obtener información del cultivo, por ende se logra mejorar significativamente el aprovechamiento de los recursos y la cantidad del producto sin afectar la calidad de este. (Garcia & Flego, Agricultura de Precisión, 2008) En este orden de ideas, se analiza la situación colombiana y se llega a la conclusión de que, a pesar del gran potencial de oportunidades que se tiene en el sector agroindustrial, se deben generar estrategias que lleven a la preparación de escenarios tecnológicos para el desarrollo de sistemas de automatización y control que permitan un aprovechamiento racional de los recursos existentes. (Universidad Nacional de Colombia, 2011) Pero entonces con toda esta información cabe preguntarse: ¿Qué importancia cumple la comunicación en todo este sistema? Si bien el circuito de control debería de encargarse de suplir las necesidades de todo el cultivo, la parte de comunicación cumple un papel crucial al ser la que permita supervisar la labor realizada por el circuito de control, para tener una total garantía de que el proceso fue realizado satisfactoriamente. Por otra parte, el uso de las comunicaciones permite que una persona que normalmente puede supervisar una pequeña extensión de tierra en sus cultivos, ahora pueda monitorear el estado de áreas muchos más grandes sin necesidad de estar presentes en el lugar de trabajo Existen varios aspectos en los que la electrónica puede intervenir para mejorar la producción agrícola que aún no se encuentra automatizada, haciendo referencia con esto al sector de campesinos que no dispone de esta tecnología.

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Analizando cada uno de estos aspectos se optó por enfocarse en el monitoreo y control de riego de los cultivos, ya que se observó que en gran parte del proceso de producción agrícola, el tiempo que emplea un agricultor en supervisar la humedad de los cultivos y regarlos es demasiado y éste podría ser empleado en otras tareas optimizando así el proceso. Para seleccionar un tipo de cultivo adecuado se realiza un análisis del área en la que se desarrollará el proyecto, definiéndose que es una zona de características tropicales, y por tanto se hace posible la diversidad de cultivos. La soya, es una leguminosa que para desarrollar un crecimiento óptimo debe de

ser sembrada en lugares cuya temperatura oscile entre los 20 y 30 C. Por otra parte, sus condiciones de riego aunque no son muy exigentes, necesitan de cuidado, ya que no puede haber encharcamiento que ahogará sus raíces. Su problema principal es que es una planta que dependiendo del clima y del suelo, varía su cantidad de riegos. En un clima como el del Valle del Cauca donde las condiciones de insolación y transpiración son más rápidas, se necesita un riego más constante. (Infoagro, 2007) Conociendo lo anterior, se identifica el problema y entramos a preguntarnos, ¿Cómo controlar el sistema de riego por goteo de un cultivo de soya, permitiendo al campesino estar informado del estado del riego de manera remota?

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2. JUSTIFICACION. A nivel mundial, el 40% de los alimentos agrícolas son producidos con regadío. El 70% del agua es usada en la producción de alimentos, llegando en algunos países hasta el 95%. Además se prevé que la utilización del agua en el mundo aumente más del doble que la tasa de crecimiento demográfico. Por tanto, uno de los retos más grandes a nivel mundial para el siglo actual, es el uso sostenible del agua, como se ha reconocido en distintos foros internacionales en los últimos 10 años (Cumbre de Rio de Janeiro, II Foro Mundial del Agua de la Haya, etc.). Desde el punto de vista agrícola, como mayor demandante de agua, la satisfacción de las necesidades alimenticias de la población mundial frente a las previsibles restricciones hídricas pasa por la mejora en eficiencia y productividad del regadío, objetivo que solo se podrá alcanzar mediante una mejora tecnológica del mismo. Sin duda, la aplicación de sistemas de automatización y control en todas las escalas de la distribución del agua de riego juega un papel trascendental en la necesaria modernización tecnológica del regadío (Canales & Martinez, 2010). Para la producción agrícola intensiva de campos es de vital importancia reducir el consumo de agua, tanto por la ecología como por el impacto que tiene el costo de electricidad destinada a riego (Toloza J. M., Leiva, Ribas, Carmona, & Acosta, 2010). El riego es un elemento esencial del desarrollo agrario sustentado. La falta de agua constituye una importante limitación para el desarrollo agrícola en regiones áridas y semiáridas. En muchas zonas, la competencia creciente por el agua, consecuencia del aumento de la demanda para diferentes usos, conlleva un incremento de su precio y una creciente limitación de su disponibilidad para su uso en la agricultura. Para poder alcanzar estos objetivos, se hace necesario la implementación y el aprovechamiento de los avances científicos de ingeniería a los regadíos. La utilización eficiente del agua requiere, además de una previa concienciación, el intercambio de conocimientos con los extensionistas, ingenieros y científicos. El agricultor formado mínimamente e informado con continuidad estará en capacidad de mejorar enfoques y técnicas. El disponer de la suficiente información técnica, apoyada en experimentación de campo, que ayude a la elección del sistema de riego más adecuado en cada caso y la exigencia de la utilización de materiales y equipos homologados son, entre otros, aspectos básicos para aumentar la producción en las tierras de regadío, mediante el aprovechamiento eficiente del agua, a través de prácticas productivas y eficaces. (Tarjuelo & Benito, 1995) Cuando se tiene un cultivo, los sistemas de riego cumplen un papel importante en el crecimiento de la planta, por esta razón, los agricultores emplean gran parte de su tiempo a esta labor, que en últimas podría ser fácilmente realizada por un autómata.

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El riego es un factor variante dependiendo del tipo de cultivo, sin embargo, es común ver que distintos tipos de plantas son regadas de la misma manera por la falta de conocimiento. En este orden de ideas, es necesario implementar un sistema que pueda controlar el consumo de agua de tal manera que a una planta determinada se le pueda realizar su proceso de regado de la manera más óptima posible, sin afectar la calidad del producto. Ahora, haciendo énfasis en la planta seleccionada para el regadío cabe resaltar que, en los últimos años la soya ha tenido un crecimiento a nivel comercial, debido a la cantidad de productos derivados de esta tales como los yogures de soya, leche y demás postres nutritivos, los cuales hacen de esta planta una buena alternativa para ser cosechada debido a su demanda a nivel mundial. (TRAXCO, 2013) Por otra parte el método de agricultura de precisión, implementa sistemas de comunicaciones para la recopilación de información sobre el estado del cultivo y la realización de ciertas funciones de manera manual, permitiendo que el usuario dada una situación imprevista, no pierda el control sobre el cultivo y de esta manera pueda realizar las acciones de operación de riegos sin necesidad de esperar la llegada de un técnico para realizar el respectivo arreglo al dispositivo.

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3. OBJETIVOS.

3.1. OBJETIVO GENERAL: Diseñar un prototipo de sistema de control de riego para un cultivo de soya con supervisión remota de humedad

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Investigar sobre los distintos tipos de riego existentes y las características hídricas del cultivo de soya.

Documentar los tipos de control aplicables al prototipo

Documentar los tipos de comunicación aplicables al prototipo

Seleccionar el tipo de control y de comunicación del sistema.

Diseñar y construir el sistema de control del sistema de riego.

Formular un procedimiento lógico para él envió de la información al usuario

Diseñar y construir la comunicación del sistema.

Validar el funcionamiento del sistema

Publicar los resultados obtenidos.

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4. MARCO DE REFERENCIA En el desarrollo de nuevos métodos para obtener una mejor producción agrícola, uno de los aspectos que más se han estudiado es el manejo del recurso hídrico. En este orden de ideas, se presentan a continuación una serie de estudios que sustentan lo mencionado anteriormente, mostrando análisis relacionados con el tipo de suelo y sus características hasta tocar los sistemas de control y comunicación para los autómatas de riego.

4.1. TIPOS DE RIEGO Y CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS En el 2012, la Escuela Agrícola Panamericana de Zamorano (Honduras), realizó un informe investigativo del diseño de un sistema de riego por goteo para los cultivos de maíz y soya, y en éste presentó estudios realizados por diversas entidades, que entregan datos concisos de consumo de agua, ventajas del riego por goteo, condiciones y características del suelo, entre otros aspectos. (Rivera, 2012) Algunos de estos datos son:

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), en la actualidad los sistemas de riego más utilizados son: el riego por micro aspersión, el riego por aspersión y el riego por goteo, siendo el último un sistema de riego localizado que permite dar un mayor ahorro de agua. Aunque en el riego por goteo la tecnología es simple, requiere cierta inversión y un mantenimiento cuidadoso debido a que los goteros tienden con frecuencia a obstruirse, sin embargo, los resultados en muchos países muestran que los agricultores que cambian de riego por surcos o riego por aspersión a un riego por goteo pueden reducir el consumo de agua del 30% al 60%, manteniendo o mejorando la productividad del terreno ya que la planta recibe prácticamente la cantidad exacta de agua que necesitan. (FAO, 2002)

Una característica fundamental del riego por goteo, es que puede ser adaptado a cualquier tipo de suelo y topografía en la gran mayoría de cultivos. El cuidado más grande que se debe de tener con un sistema de este tipo es el taponamiento de los emisores, por lo cual se recomienda realizar una buena escogencia de un sistema de filtrado. Normalmente se habla de salidas que van desde los 0.5mm hasta los 1.5mm, y cuando el agua utilizada contiene material orgánico o partículas de arena muy gruesas, lo más recomendable es manejar un filtro de grava para proteger el sistema. (Palma, 2008)

Regularmente, cuando un suelo presenta succión baja (0 – 1 atm), es decir que el agua no está muy fuertemente retenida, el contenido hídrico depende fundamental del estado estructural que posea el suelo. A medida que el suelo se va secando, la succión aumenta y el contenido hídrico depende más de la

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textura del suelo a través de la superficie. Cuando un suelo presenta arcilla, genera variaciones en el trazado de la curva de succión. A continuación se presenta en la Figura 1 la curva de succión para suelo con textura fina y textura gruesa. (García, Sosa, & Fernandez, 2009)

Figura 1: Influencia de la textura en la capacidad hídrica del suelo

Fuente: (García, Sosa, & Fernandez, 2009)

La infiltración básica del suelo básicamente se define como el tiempo que le toma al agua recorrer las capas del suelo por los poros de la tierra. Existen muchos factores que puede alterar esta velocidad: estructura, cantidad de agua, textura, temperatura del agua, humedad del suelo, temperatura del suelo entre otros (Palma, 2008). La investigación desarrollada por ingeniero agrónomo Abdi Esli Gonzales, presenta datos generales donde se observan las características de infiltración básica según el tipo de suelo como se puede ver en la Tabla 1.

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Tabla 1: Características del suelo

Textura Densidad Aparente

(𝒈𝒓

𝒄𝒎𝟑⁄)

Infiltración Básica (𝒄𝒎 𝑯⁄ )

Espacio Poroso (%)

Arenoso 1.55 – 1.80 2.50 – 5.50 32 – 42

Franco-Arenoso 1.40 – 1.60 1.30 – 7.60 40 – 47

Franco 1.30 – 1.50 0.80 – 2.00 43 – 49

Franco-Arcilloso 1.30 – 1.40 0.25 – 1.50 47 – 51

Arcilloso- Arenoso 1.25 – 1.35 0.03 – 0.50 49 – 53

Arcilloso 1.20 – 1.30 0.01 – 0.10 51 – 55

Fuente: (Rivera, 2012)

4.2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DE LA SOYA En el 2004 el ingeniero agroindustrial Rubén Toledo en la ciudad de Córdoba (Argentina) realizó una investigación en la que se presentaron datos concretos referentes al consumo de agua según la etapa de desarrollo de la planta. De acuerdo con los resultados, el crecimiento de la soya comienza cuando esta absorbe del 30% al 40% de su peso en agua y la tensión hídrica del suelo no puede

ser menor que -6.6 bar con una temperatura de 25C para una germinación en un periodo entre los 5 y 8 días. (Toledo, 2009) Por otra parte en el año 2006, la empresa CORPOICA en unión con COAGRO y el Ministerio de Agricultura desarrollaron una investigación para promocionar el cultivo de soya en la Orinoquía Colombiana, especificando factores como tipos de suelos recomendables para el cultivo de soya, consumo de agua por parte de la planta, entre otros aspectos necesarios para el desarrollo del cultivo en el país. (García & al., 2006) Según la investigación, algunos aspectos importantes que se deben tener en cuenta son:

Desde el punto de vista de las propiedades físicas del suelo, el cultivo de la soya se adapta a diferentes tipos de clases texturales, sin embargo, es necesario que se tengan buenas condiciones de drenaje, de tal manera que se elimine fácilmente el exceso de agua, pero que a su vez retenga una cantidad determinada para poder abastecer a las plantas durante un número específico de días, permitiendo así una buena aireación de la zona radical lo que favorece la proliferación, crecimiento y desarrollo del sistema.

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No son apropiados suelos arcillosos (>40% de arcilles) que posean conductividades hidráulicas lentas (

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En España, el Centro Regional de Estudios del Agua y la Universidad de Castilla en el 2010, describió los distintos factores a tener en cuenta para determinar el tipo de riego y la tecnología a utilizar en un cultivo. Plantean una teoría inicial acerca de la evapotranspiración de referencia y de cultivo para definir la necesidad de agua en un cultivo en específico, el balance hídrico del suelo y las necesidades de riego, los métodos y sistemas de riego entre otros. (Pereira, Valero, Picornell, Tarjuelo, & Benito, 2010) Al mismo tiempo en Argentina, la Universidad de Palermo, en su revista Ciencia y Tecnología, expone el concepto de agricultura de precisión, sus ventajas y desventajas con respecto a un cultivo normal, dando a conocer sus aportes a nivel político, económico, cultural, social, tecnológico y ecológico y definiendo el por qué se debe de migrar a este tipo de técnicas para poder mejorar la productividad de los cultivos del territorio. (Marote, 2010) Sin embargo, el hecho de que no todos los avances sean a nivel electrónico, no quiere decir que no se investigue en esta área, en España por ejemplo, la Universidad de la Rioja desarrolló un dispositivo de control remoto que utilizaba de la tecnología celular para actuar sobre un sistema de riego por aspersión y goteo y el sistema de fertilización de una viña, teniendo como objetivo mejorar la calidad del fruto y disminuir costos en desplazamiento de personal. (Reinares, Macias, & Parte, 2007) La Escuela Superior de Agricultura de Barcelona, publica un documento llamado “Situación actual y posibilidades de la agricultura de precisión”, en el que se explica la implementación de las diferentes tecnologías incluyendo las TIC en la agricultura de precisión, presentando un enfoque desde el concepto y los orígenes de estos métodos hasta que tan viable es implementar dichos procesos en nuestra época. (Gil, 2008) En España, la Universidad Pública de Navarra desarrolló un prototipo para un sistema de riego por goteo controlado por un sistema arduino, utilizando sensores de humedad para realizar un lazo de control realimentado. (Vidaurre, 2012) También la Universidad Nacional del Centro de la Provincia Buenos Aires presentó en el 2010, un sistema de detección en tiempo real de la necesidad de riego en cultivos de producción intensiva haciendo uso de sensores para la medición y entrenamiento de una red neuronal (Toloza J. , Leiva, Riba, Carmona, & Acosta., 2010) En este orden de ideas, se logra observar el interés constante por mejorar las condiciones de riego en los cultivos, ya que es este uno de los factores de mayor impacto en la agricultura, por los excesos en el consumo de agua.

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4.4. TIPOS DE CONTROL EN LOS SISTEMAS DE RIEGO Para automatizar un proceso hay varias opciones de control que pueden aplicarse, dependiendo de los requerimientos del sistema a controlar. La pregunta se centra entonces en decidir qué tipo de estrategia de control sería la más adecuada para controlar el sistema de riego. En esta sección se da un vistazo a métodos de control aplicados a sistemas de riego en diferentes investigaciones realizadas a nivel mundial, y los resultados obtenidos con cada uno de ellos. 4.4.1. Control ON/OFF. A continuación se presentarán ejemplos de proyectos relacionados con el método de Control ON/OFF. 4.4.1.1. Control ON/OFF con Método Predictivo. El Dr. Rafael Camilo Lozoya Gámez del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, plantea tres métodos de control para un sistema de riego: el primero con un controlador en bucla abierta, el segundo basado en el control de la humedad por medio de un controlador ON/OFF en bucla cerrada, y el tercero en un modelo predictivo (MPC) que controla la humedad del suelo con base en la información que se obtienen al medir las perturbaciones que se presentan. (Lozoya Gamez, 2014) Primero se realiza una comparación entre los tres sistemas teniendo en cuenta la acumulación de error y esfuerzo de control como se observa en la Figura 2, donde el error acumulado indica que tan bueno es el sistema para mantener los niveles de humedad cercanos al nivel de referencia, y el esfuerzo de control indica que tan eficiente es el sistema para minimizar el uso del agua. Se puede observar que el error acumulado es mayor en el sistema ON/OFF, esto se debe a que no se tuvo en cuenta el tiempo de retardo que presenta la entrada en el proceso, lo que vuelve al sistema susceptible a variaciones en el tiempo. En el sistema MPC se incluye el retardo en el modelo interno y se logra predecir la dinámica del proceso.

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Figura 2: Comparación del error acumulado en los tres controladores

Fuente: (Lozoya Gamez, 2014)

En la Figura 3 se puede identificar el gasto de agua que se presenta en cada sistema de control, observándose que en el sistema de bucla abierta se presenta el mayor gasto de agua. Esto se debe a que en este método no se tuvo en cuenta una realimentación que indique el nivel de humedad que se presenta actualmente. El Control ON/OFF si posee una realimentación que optimiza el consumo de agua y, por último, el sistema MPC al ser un sistema predictivo permite que se puedan optimizar el consumo de agua mediante las señales de control. Figura 3: Comparación gasto de agua generado por los tres controladores

Fuente: (Lozoya Gamez, 2014)

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4.4.1.2. Control de Temperatura en un Invernadero. En el Congreso de Instrumentación SOMI XVII en México se presentó un proyecto que realizó el diseño y la construcción de un instrumento para monitorear y controlar la temperatura de un invernadero. Para ello utilizaron un microcontrolador (PIC 16f877), un transductor de temperatura (LM35), un adecuador de voltaje, una pantalla LCD y un teclado matricial 4x4.

En el desarrollo del proyecto proponen aplicar un sistema de Control ON/OFF con Histéresis para ajustar los valores de temperatura máxima y mínima que el usuario desea para el sistema del invernadero, así cuando la temperatura sobrepase el valor máximo asignado el sistema encenderá la bomba, y cuando la temperatura alcance el valor mínimo esta se apagará. En la Figura 4 se observa el diagrama a aplicar el control ON/OFF. (Barrera Cardiel & Granados Delgadillo)

Figura 4. Sistema de control ON OFF con histéresis

Fuente: (Barrera Cardiel & Granados Delgadillo) 4.4.1.3. Control de una Incubadora. En Chile en la Universidad de Concepción se realizó un proyecto con el fin de rehabilitar una incubadora para recién nacidos, que permitiera visualizar y controlar las variables de temperatura, humedad y peso para brindar al recién nacido un lugar adecuado. Para la temperatura se utilizaron 3 sensores: sensor digital de temperatura (Pmod TMP) sensor digital de temperatura y humedad (SHT15) y sensor de temperatura análogo (ZX-Thermometer), para medir el peso se usó una celda de carga conectada por medio de un adecuador, los actuadores utilizados fueron un ventilador, un humificador y una resistencia de calor. Para el controlador se usó el kit de desarrollo “CEREBOT MX4cK” al cual se le conectaron los sensores actuadores y módulos de comunicación. En la Figura 5 podemos observar la integración de las diferentes partes usadas en este proyecto.

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Figura 5. Control de variables de una incubadora.

Fuente: (Viveros Silva, 2013) El método de control usado para este proyecto fue control ON/OFF con histéresis. Por medio de una interfaz gráfica el usuario registra la edad del recién nacido y de acuerdo a esta y a su peso el sistema lo relaciona con una tabla de valores que tiene asignados para regular la temperatura y humedad. La conclusión del proyecto fue satisfactoria ya que el control de temperatura arrojo resultados muy buenos, aunque por parte del control de humedad que no fue muy eficaz debido a la falta de un sistema de humidificación constante alcanzo un margen aceptable. En general el proyecto cumplió con los objetivos iniciales y logro realizarse a un menor costo de lo promediado. (Viveros Silva, 2013). 4.4.1.4. Control de Riego con Sensores Capacitivos. En Argentina en la Universidad de San Juan, se desarrolló un proyecto que realizó el control automático de un riego agrícola con sensores capacitivos. En este proyecto evalúan distintos sensores y los métodos de control posibles para utilizar. Existen dos posibilidades: Controlarlo de forma manual o de forma automática en lazo abierto o cerrado. El riego de forma manual requiere de un operario que tenga conocimiento sobre los momentos de riego ya sea por experiencia o por recomendaciones dadas. El control por lazo abierto o temporizado consiste en programar un controlador con una hora determinada para realizar el proceso de regado. En este tipo de control no se tienen en cuenta las variables que puedan afectar el sistema. El método de lazo cerrado

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se basa en alcanzar una referencia de humedad del suelo programada mediante el uso de sensores y actuadores. Decidieron usar en este proyecto un método de control basado en el estudio del suelo determinando las parcelas agronómicas homogéneas PAH, es decir zonas que tiene el mismo tipo de suelo y cultivo. El proyecto tiene cuatro zonas distintas las cuales se riegan de forma independiente y por tanto usaron 4 actuadores. Cuando la zona PAH es muy extensa se usan varios sensores y se promedian para obtener un mejor resultado. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, se presentó un aumento promedio en el nivel de humedad del suelo al que consideraron positivo, se sacaron estadísticas de ahorro de agua y calidad del producto final. (Schugurensky & Capraro, 2007) 4.4.2. Control PD y Control PID. Otros métodos de control se basan en el diseño de controladores basados en una acción ya sea proporcional, integral, derivativa o una combinación entre ellas. El modelo de control para el riego de un cultivo realizado en la Universidad de Cundinamarca se plantea un controlador PID. (Gonzalez & Amortegui, 2012). En la Figura 6 se observa la respuesta de la señal de salida con el controlador PID, Figura 6: Respuesta ante entrada escalón con controlador PID.

Fuente: (Gonzalez & Amortegui, 2012) Se opta entonces por evaluar otra acción de control debido al gran sobrepaso que presenta la señal, que puede afectar a largo plazo el funcionamiento de la válvula.

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Como segunda instancia se realiza un controlador con acción proporcional/derivativa (PD) y al modificar los parámetros inicialmente propuestos se obtienen los resultados de la Figura 7. Figura 7: Respuesta ante entrada escalón con controlador PD.

Fuente: (Gonzalez & Amortegui, 2012) Con los resultados del nuevo controlador que se pueden observar en la figura 5, se logra garantizar que la humedad del sistema solo presente un error del 2% con respecto a la humedad establecida como referencia. Además se elimina la oscilación que se presentaba hasta el tiempo de estabilización de la señal generada por la acción integral. 4.4.3. Control mediante PLC y Microcontrolador. En la Universidad Autónoma de Querétaro se realizó un sistema de control de riego automático para policultivo con dos controladores diferentes. (Camargo Garcia, 2013)

El primero fue mediante un controlador lógico programable (PLC), programado para que regulara el flujo del agua mediante un control ON/OFF, que depende de la información de un sensor que indica la humedad del terreno. Cuando el PLC recibe la señal del sensor con el valor mínimo de humedad programado, enciende una bomba sumergible que irriga agua a través de una manguera y cuando el nivel de humedad alcanza el valor máximo establecido, el PLC envía una señal a la bomba para cerrar el flujo de agua.

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El sistema de control con el PLC presentó un ahorro de agua del 50% en comparación al método de riego que se tenía antes (riego manual), esto ayudó de forma económica y ambiental a la entidad donde se encontraba el sistema.

El segundo fue haciendo uso de un microcontrolador, donde se implementó un sistema de control ON/OFF que por medio de sensores de humedad con variables resistivas, determina el tiempo de riego requerido para mantener el nivel de humedad deseado.

Como resultados de la implementación de este sistema se obtuvo que el método de control ON/OFF presenta errores, pero estos son tolerables debido a la poca variación que presenta la humedad en el suelo. Se recomienda que las mediciones realizadas sobre la humedad se hagan en intervalos amplios de tiempo para no saturar la memoria del controlador, teniendo en cuenta que el cambio que se va a presentar en la humedad es poco entre cada medición.

4.5. TIPOS DE COMUNICACIÓN REMOTA. Después de observar los aspectos correspondientes a la parte del control, se empiezan a investigar las opciones de comunicación que podría usar el sistema. Si bien es cierto que la parte de control ya ofrece un mejor rendimiento y optimización de los recursos del sistema, la comunicación permitirá que el individuo realice una supervisión del sistema ya sea a través de un registro de funcionamiento o simplemente revisando el riego se está efectuando en ese momento. A continuación se presentan algunas de las investigaciones encontradas en una búsqueda bibliográfica cuyo objetivo es definir qué módulo de comunicación remota sería más eficiente para el sistema: 4.5.1. Tecnología 3G y GSM En el 2013 la Universidad Tecnológica Israel en Quito, presentó un documento de investigación para el desarrollo de un Sistema Prototipo de Control Presente en un Taxímetro, que presenta a manera de información, datos técnicos de las distintas tecnologías de comunicación entre estas la tecnología 3G, y la tecnología GSM. (Sanguano, 2013) De este documento se destacan las funcionalidades básicas que presentan los dispositivos con tecnología 3G y que son mostrados en la Tabla 2.

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Tabla 2: Comparación entre distintas generaciones de tecnologías móviles

Criterio Primera

generación (1G) Segunda

generación (2G) Tercera

generación (3G)

Servicio Voz Voz y mensajería Voz y datos

Calidad Baja Alta Alta

Nivel Bajo Fuerte Fuerte

Velocidad Baja Baja Alta

Tipo Circuito Circuito Paquetes

Fuente: (Sanguano, 2013) De igual manera, el documento define los sistemas GSM como los equipos que representan el estándar de comunicación europeo de segunda generación. En él se especifican cómo funcionan estos dispositivos y se mencionan una serie de modelos existentes de lo cual se puede rescatar:

Módulos GSM-USB: Tienen como característica importante que son sistemas con un tamaño pequeño, los cual los hace ideal para el tipo de desarrollo que se está realizando, sin embargo, estos módulos requieren de la instalación de un software en un PC (Sanguano, 2013)

Módulos GSM-RS232: Se caracterizan por el manejo de la comunicación serial que hacen de este un sistema ideal a la hora de acoplarse con el controlador, a pesar de que poseen tamaños un poco grandes, las ventajas de la comunicación por UART (Sanguano, 2013)

En el 2006, la Universidad Tecnológica Nacional de Buenos Aires presentó un documento que evalúa las capacidades de la red GPRS para las aplicaciones de monitoreo remoto, presentando las ventajas y desventajas de este servicio. (Friedrich & Andenghi, 2006) Según el documento, las redes de telefonía celular GSM, a través del servicio GPRS, son una alternativa interesante al momento de seleccionar una tecnología de comunicación para los sistemas de supervisión remota. Si bien GPRS tiene un costo de utilización en función del volumen de datos transferidos, algunos aspectos favorables son: la baja inversión inicial y la simplicidad para transferir datos a cualquier sitio en internet. Dentro de las aplicaciones de estudio presentadas en el documento, se observa un escenario en el que se realiza una medición remota de un cierto conjunto de

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variables, a fin de caracterizar determinados fenómenos y su interacción y correlación. Un ejemplo es la adquisición y registro de variables ambientales y climáticas, a fin de evaluar o informar el estado de estas. 4.5.2. Tecnología Zigbee En Latacunga México, se desarrolló un proyecto que permitía monitorear un sistema de riego. En este proyecto proponen usar la tecnología Zigbee para realizar la sección de comunicación. En el documento se presentan las características y sus ventajas y desventajas al momento de usar esta tecnología en este tipo de proyectos. (Comina Jácome, 2013). Describen la tecnología zigbee como un estándar que ha sido diseñado para distintas aplicaciones en el mercado permitiéndole una mejor conectividad en comparación con otros sistemas, esta echo para operar en redes de área personal a un nivel WPAN. La descripción de las características de esta tecnología que indican son las que se encuentran en la Tabla 3. Tabla 3: Características Tecnología Zigbee

Características Rango

Banda de frecuencia 868-868,8 MHz (Europa)

902-928 MHz (Norte América) 2400-2483,5 MHz (Todo el mundo)

Alcance 10-1000 m

Retardo(latencia) menor a 15ms

Número de canales 868-868,8/902-928 MHz: 11

Canales 2400-2483,5 MHz:16 Canales

Rango de transmisión 868-868,8 MHz 20Kbps 902-928 MHz 40Kbps

2400-2483,5 MHz 250 Kbps

Direccionamiento 64 bits

Adicional: Corto de 16 bits

Nodos por red Hasta 65536

Hasta 255 por subred

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Características Rango

Canal de acceso CSMA-CA

CSMA-CA Rasurado

Temperatura -40 a 85ºC

Fuente: (Comina Jácome, 2013) Como conclusiones sobre la tecnología Zigbee mencionan que es un tipo de comunicación ideal para realizar conexiones punto a punto y punto a multipunto, es óptima para realizar redes de baja transferencias de datos, puede reducir los tiempos de espera en el envío y recepción de paquetes, son económicas y presentan bajo consumo de energía. Como desventajas mencionan que la tasa de transferencia es baja, no es compatible con otras tecnologías y presenta una cobertura de tipo WPAN. Al finalizarse este proyecto se obtienen muy buenos resultados en el aspecto de la comunicación ya que esta tecnología cumple todos los requisitos para trabajar con este tipo de proyectos como lo son los costos la tasa de transmisión y las distancias que puede abarcar. Los riesgos que se pueden presentar al trabajar con esta tecnología pueden ser: que la distancia entre módulos sea muy elevada, la sensibilidad de los módulos a cambios de voltaje en su alimentación que pueden causar, o perdida de la información, o dañar el módulo permanentemente. 4.5.3. Tecnología Bluetooth En el Congreso de Instrumentación SOMI que se realizó en México en el año 2014 se presentó un proyecto donde se realizó el monitoreo de la temperatura y humedad de un cultivo usando tecnología Bluetooth, en el documento describen las características principales de esta tecnología, su uso y los resultados obtenidos al realizar su implementación. A continuación se realizará una descripción de este proyecto. La tecnología Bluetooth se caracteriza por presentar tres clases de dispositivos posibles, los dispositivos de clase 1 que ofrecen una cobertura de 100m, los de clase 2 ofrecen cobertura de 10 metros y los de clase 3, de 1 metro. También se pueden clasificar según su ancho de banda, la versión 1.2 ofrece un ancho de banda de 1 Mbps, los de versión 2.0 ofrecen 3Mbps y los UWB desde 53 hasta 480 Mbps.

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El dispositivo Bluetooth que se usó en este proyecto fue un módulo Bluetooth HC-D5 que se encuentra en la clasificación clase 2 y es versión 2.0. El resultado de la implementación de esta tecnología en el proyecto fue satisfactoria, pero se debe tener en cuenta que la distancia entre un módulo y otro no era demasiada por lo que no se presentaron inconvenientes en la comunicación. (Vega, Salgado, Tapia, & Sanches, 2014)

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5. MARCO TEÓRICO En el trabajo agrícola, uno de los problemas más comunes son los altos desperdicios de agua causados por el riego de los cultivos. Sobre este tema, distintos estudios han demostrado que las plantas necesitan una cantidad determinada de agua para poder crecer de manera eficiente, tal y como se presentó en la sección 1.3 específicamente para el cultivo de la soya. De esta manera se han desarrollado métodos para poder manejar de manera óptima la cantidad precisa de insumos (entre ellos el agua) para poder tener cultivos de calidad y bajo costos. La electrónica ha realizado un gran aporte a las técnicas de manejo de insumos contribuyendo a mejorar aspectos como lo son la precisión en la dosificación de estos, para acrecentar la productividad y la calidad en los productos. En este capítulo se presentarán algunos de los métodos y tecnologías que se implementan actualmente en este tipo de sistemas, para el mejoramiento del área agrícola tales como: los tipos de riego, los métodos de control, los tipos de actuadores y sensores, y las tecnologías existentes para comunicación remota.

5.1. AGRICULTURA DE PRECISIÓN. También llamada siembra de precisión, es un método que consiste en el manejo o administración de la variabilidad agrícola, para mejorar los beneficios económicos y reducir el impacto ambiental. Su definición presenta un doble propósito: en primer lugar, identifica el manejo de la variabilidad como el factor esencial y no la tecnología como muchas personas creen y, en segundo lugar, involucra los factores que motivan el cambio de un sistema a otro que mejora los retornos económicos mientras reduce el impacto ambiental (Blackmore, 2007) A continuación se describen los tipos de variabilidad anteriormente mencionados, los tipos de riegos existentes actualmente en la agricultura y los distintos métodos de comunicación que se pueden emplear en los sistemas de control para tener alarmas del estado del cultivo entre otros. 5.1.1. Tipos de Variabilidad Agrícola. Actualmente se han identificado tres tipos de variabilidad.

El primer tipo es la variabilidad espacial, que puede ser considerada como los cambios a través del lote. Por ejemplo, cuando una extensión de lote tiene mayor producción que un lote vecino.

El segundo tipo es la variabilidad temporal que se refiere a cuando los parámetros cambian con respecto al tiempo. Por ejemplo, cuando un lote

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presenta durante cierta época gran producción y de un momento a otro el rendimiento baja.

El tercer tipo es la variabilidad predictiva que explica la diferencia entre lo que el productor piensa que va a suceder y lo que realmente ocurre. Por ejemplo, cuando un productor estima cierta producción para un terreno y al final el objetivo no se logra por factores externos. (Blackmore, 2007)

5.1.2. Tipos de Riego. En los cultivos, una de las variables más importantes, viene dada por la manera como se maneja el regadío, en este orden de ideas existen distintos tipos de métodos para lograr tener la tierra en su punto ideal de humedad, observándose así sistemas de riego por aspersión, localizado, inundación, entre otros. 5.1.2.1. Riego por Aspersión. Es una técnica de riego donde el agua se aplica en forma de lluvia por medio de sistemas aspersores que se alimentan con agua a presión tal y como se observa en la Figura 8. Este método asegura el reparto uniforme sobre la superficie que se pretende regar. (Pereira, Valero, Picornell, Tarjuelo, & Benito, 2010) Figura 8: Cultivo con sistema de riego por aspersión

Fuente: (Otero, 2011). 5.1.2.2. Riego Localizado o por Goteo. Es una técnica de riego donde el agua se entrega a uno o varios puntos determinados Figura 9, generalmente lo más cerca de las raíces de las plantas, teniendo como fin que el aprovechamiento sea máximo con las menores perdidas, manteniendo una zona de terreno llamada bulbo en constante humedad (Pereira, Valero, Picornell, Tarjuelo, & Benito, 2010)

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Figura 9: Cultivo con sistema de riego por goteo

Fuente: (Tecnica International S.A. de C.V., 2012) 5.1.2.3. Riego por Inundación. Es un sistema de irrigación que consiste en inundar el terreno con una capa de agua sobre la superficie entre los surcos Figura 10. Es uno de los métodos que causa más despilfarro de agua. (Pereira, Valero, Picornell, Tarjuelo, & Benito, 2010) Figura 10: Cultivo con sistema de riego por inundación

Fuente: (Perez C. , 2011) 5.1.3. Evapotranspiración Se conoce como evapotranspiración (ET), a la combinación de dos procesos separados, por los que el agua se pierde a través de la superficie del suelo, siendo

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estos la evaporación y la transpiración de los cultivos. La evaporación y la transpiración ocurren de manera simultánea y no existe una manera sencilla de distinguir estos dos procesos. La evaporación de un suelo cultivado, está determinada principalmente por la fracción de radiación solar que llega a la superficie del suelo, puesto que conforme la planta crece, esta fracción del suelo disminuye, haciendo que conforme pasa el tiempo el proceso de evapotranspiración sea casi que en su totalidad realizado por la transpiración de la planta. (Allen, Pereira, Raes, & Smith, 2006) Normalmente, la evapotranspiración se expresa en (mm/t), es decir milímetros por una unidad de tiempo, esta unidad expresa la cantidad de agua perdida en una superficie cultivada en unidades de altura de agua. Por lo regular los cultivos se expresan en hectáreas, cada una de estas tiene como superficie un total de

10000𝑚2 y 1 mm es igual a 0.001 m por ende un milímetro de agua corresponde a una pérdida de 10𝑚3 de agua por hectárea. (Allen, Pereira, Raes, & Smith, 2006) Una vez especificado todos los componentes relacionados al manejo de agua y características de los cultivos, entramos a detallar la parte electrónica empezando por los métodos de control para luego dar paso a las tecnologías de comunicación.

5.2. METODOS DE CONTROL El control automático ha permitido un gran avance en la ingeniería y la ciencia, ya que los sistemas de control tienen diversas aplicaciones, desde lanzamiento de misiles guiados, hasta sistemas análogos automatizaos. Entre estas diversas funciones, el control automático se ha destacado por resolver problemas de tipo industrial, tanto en los procesos como en la fabricación de productos. El control automático es esencial en la industria cuando se requiere control de precisión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo entre otras. (Ogata, 2003). Gracias a los avances del control automático se pueden, obtener comportamientos óptimos de los sistemas dinámicos, mejorar la productividad y simplificar tareas repetitivas y rutinarias. Si se desea garantizar unos parámetros fijos en un sistema, es necesario aplicar un control sobre las variables que lo afectan, y es ahí donde distintos métodos de control se pueden aplicar según los requerimientos del sistema. Existen dos modelos generales para realizar las acciones de control:

El sistema de control de lazo cerrado, que mantiene una relación entre la salida y la entrada de referencia usando la diferencia de ellas como variable de control ejerciendo una constante visualización del error que se presenta en el sistema.

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El sistema de control en lazo abierto, que solo depende del control realizado sobre la variable de entrada, este presenta más error debido a que el controlador no tiene conocimiento del valor de la variable de salida.

5.2.1. Control ON/OFF: Este método consta de controlar dos estados, encendido o apagado, por lo tanto el actuador tendrá dos posiciones dependiendo de un parámetro central, cuando sobrepase el parámetro se activará un estado y cuando se encuentre por debajo de él, se activará el otro. Este método es el más sencillo y se usa generalmente en sistemas de respuesta lenta, porque en sistemas que presentan muchas oscilaciones, la conmutación del actuador constantemente puede dañarlo. 5.2.2. Control por Histéresis: Este método de control se basa en determinar límites para realizar una acción. En un caso sencillo se asigna un límite superior y un límite inferior: si la señal de entrada sobrepasa el superior accionaria el actuador y lo regresaría a su estado inicial cuando la señal baje más del límite inferior. En la Figura 11 se puede observar un control por histéresis a una señal de temperatura.

Figura 11: Control ON/OFF con Histéresis

Fuente: (Tecnoficio)

5.2.3. Control Proporcional: En este método de control la señal de entrada está relacionada de forma lineal con la señal de salida, dependiendo de una ganancia asignada para estabilizar la señal en el valor deseado. Se usa en casos donde la señal de entrada requiera un cambio proporcional a la salida para alcanzar el nivel deseado. La Figura 12 muestra la respuesta que tiene una señal ante una acción proporcional.

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Figura 12: Respuesta a una acción proporcional.

Fuente: (Fröhr & Orttenburger, 1986) 5.2.4. Control integral: Cuando se tiene una señal que presenta un error de estado estacionario o desplazamiento, haciendo uso de una acción integral en el controlador se puede corregir este error. Cuando el error es diferente de cero la acción proporcional no será suficiente para estabilizar la señal y se requerirá una acción integral. En la Figura 13 se presenta la comparación del efecto que tiene el control integral sobre una señal con error a diferencia de un control proporcional, donde la gráfica (A) es la señal con el control integral y la gráfica (B) es la señal con un control proporcional Figura 13: Acción integral (a) vs acción proporcional (b) sobre una señal con error diferente de cero.

Fuente: (Ogata, 2003) 5.2.5. Control derivativo: La acción derivativa es un complemento de las anteriores acciones, aportando mayor sensibilidad al controlador respondiendo rápidamente al incremento del error, queriendo decir con esto que la acción derivativa prevé un posible error aumentando así la estabilidad del sistema.

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Este tipo de control no se implementa solo porque no opera directamente sobre el error sino que proporciona un factor de amortiguamiento a la señal pudiéndose aplicar sobre ésta una control proporcional más fuerte. (Ogata, 2003).

5.3. TIPOS DE ACTUADORES Y SENSORES Con los métodos de control explicados anteriormente, se procede a mostrar los respectivos dispositivos que permiten ejercer la acción sobre la variable que se controlará en el sistema a desarrollar: la humedad de suelo. Con esto en mente, a continuación se presentarán tanto los sensores que se pueden encargar de la medición, como los actuadores que realizarían la acción correctiva. 5.3.1. Electroválvula Son válvulas electromecánicas diseñadas para controlar el paso de un fluido por un conducto o tubería, donde su apertura y cierre está unido a un núcleo que se desplaza por efecto de campo magnético al aplicarle una tensión determinada a la bobina asociada. En la Figura 14 puede observarse un ejemplo de la configuración interna de una electroválvula. (ASCO Numatics, 2015) Figura 14: Partes de la electroválvula.

Fuente: (ASCO Numatics, 2015) Existen dos características principales que posibilitan la clasificación de las electroválvulas, estas son el número de vías y el número de posiciones.

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Las vías se definen como el número de bocas de conexión del elemento de distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4, 5 o más vías. Por otra parte las posiciones se refieren al número de posiciones estables del elemento de distribución. Las válvulas más comunes tienen 2 ó 3 posiciones, aunque algunos modelos particulares pueden tener más. (Micro Automatización, 2015). Las válvulas direccionales se designan de acuerdo al número de vías y al número de posiciones respectivamente. A continuación se explican algunos de los tipos de válvulas que se encuentran en el mercado.

5.3.1.1. Válvulas 2/2 Pertenecen a este grupo todas las válvulas de cierre que poseen un agujero de entrada y otro de salida (2 vías) y dos posiciones de mando. Sólo se utilizan en aquellas partes donde no es preciso efectuar por la misma válvula la descarga del sistema alimentado ya que sólo actúan como válvulas de paso. Pueden ser normal cerradas o normal abiertas, según cierren o habiliten el paso respectivamente en su posición de reposo. (Micro Automatización, 2015) 5.3.1.2. Válvulas 3/2 Además de alimentar a un circuito, permiten su escape al ser conmutadas. También las hay normalmente cerradas o abiertas (Micro Automatización, 2015) 5.3.1.3. Válvulas 4/2 ` Poseen cuatro orificios de conexión correspondiendo uno a la alimentación, dos a las utilizaciones y el restante al escape, el que es común a ambas utilizaciones. Operan en dos posiciones de mando, para cada una de las cuales sólo una utilización es alimentada, en tanto la otra se encuentra conectada a escape. Esta condición se invierte al conmutar la válvula. (Micro Automatización, 2015) 5.3.1.4. Válvulas 5/2 Éstas poseen cinco orificios de conexión y dos posiciones de mando. A diferencia de la 4/2, poseen dos escapes correspondiendo uno a cada utilización. Esto brinda la posibilidad, entre otras cosas, de controlar la velocidad de avance y retroceso de un cilindro en forma independiente. (Micro Automatización, 2015) 5.3.1.5. Válvulas de 3 posiciones Las funciones extremas de las válvulas de tres posiciones son idénticas a las de dos posiciones, pero a diferencia de éstas incorporan una posición central adicional. Esta posición podrá ser de centro cerrado, centro abierto o centro a presión. Un centro abierto permite la detención intermedia de un actuador en forma libre, dado que ambas cámaras quedan conectadas a escape en esa posición. Un centro cerrado, por el contrario, permitirá una parada intermedia, pero el cilindro quedara bloqueado por imposibilitarse sus escapes. El centro a presión mantiene alimentadas ambas cámaras, lo que permite detener con precisión un cilindro sin vástago. (Micro Automatización, 2015).

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5.3.2. Sensores de Humedad del Suelo El suelo es un reservorio importante de agua, que transforma la precipitación pluvial, discontinua en el tiempo y espacio en descargas continuas conocidas como arroyos y ríos, y abastece continuamente con humedad las raíces de las plantas. La capacidad de retención del agua de lluvia en el suelo equivale a un tercio de toda el agua de los lagos y reservorios artificiales, y es mayor que todo el caudal de los ríos. El agua retenida por el suelo, incluida aquella del subsuelo, es superior a dos veces el orden de magnitud de todo el agua acumulada en la superficie terrestre. (Atomica, 2003) Existen diversas posibilidades a la hora de estimar el contenido de agua en suelos, algunos métodos que permiten esto son:

Gravimétricos

Tensiométricos

Resistivos

Capacitivos

TDR (Time Domain Reflectometry)

Óptico

Nuclear Según los requerimientos de la medición y lo preciso que tenga que ser la muestra se escoge el método. A continuación se explica en que consiste cada uno de estos métodos. 5.3.2.1. Método Gravimétrico Método que consiste en extraer una muestra de suelo para ser pesada en condiciones naturales y luego mediante un proceso de secado en horno volver a ser pesada, siendo la diferencia entre estos dos pesos la cantidad de agua presente en la muestra tomada. El método gravimétrico se utiliza principalmente en laboratorios para calibración de instrumentos, ya que se considera un método de gran precisión. No es viable para el monitoreo ya que se extrae una muestra del terreno y no hay posibilidades de repetir una medida sobre la misma muestra. (Guastavino, Jorge, & Schinca, 2009) 5.3.2.2. Método Tensiométrico En esta práctica, se estima el contenido de humedad según la presión que ejerce el suelo sobre una muestra determinada de agua. Entre menor sea la cantidad de agua presente en el suelo, mayor será la absorción del mismo sobre la muestra, de esta manera se puede estimar la cantidad de agua en el suelo siendo el instrumento de medición un tensiómetro, en la Figura 15 se

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muestra un tensiómetro usado en algunos cultivos para control de humedad. (Guastavino, Jorge, & Schinca, 2009) Figura 15: Tensiómetro, Irrometer ISR-150

Fuente: (Traxco, 2009). 5.3.2.3. Método Resistivo Son dispositivos que basan su funcionamiento en el principio de la conductividad eléctrica, Básicamente se aprovecha la cantidad de agua presente en el suelo. El proceso consiste en introducir dos electrodos a determinada distancia en la tierra, suministrando una diferencia de potencial constante de tal manera que la corriente circulante será equivalente a la cantidad de agua presente en el suelo. Esto se debe a que el agua, a diferencia del aire, presenta una propiedad de conductividad eléctrica comportándose como una resistencia, así, a mayor cantidad de agua menor será la resistencia y mayor será la corriente circulante, en la Figura 16 se presenta un medidor de humedad a partir de la variación de resistencia en sus terminales con un medidor análogo. (Glaria & Kouro, 2001) Figura 16: Sensor resistivo análogo de Humedad.

Fuente: (Cultivo en interior, 2001).

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5.3.2.4. Método Capacitivo Se mide la capacidad de un condensador cuyo dieléctrico sea el suelo y a partir de esta medida se estima la constante dieléctrica la cual se considera que guarda relación con la cantidad de agua en el suelo. Dado a la naturaleza polar del agua, en presencia de un campo eléctrico, se produce la alineación de la moléculas, siendo esta la causa del porque el agua presenta una constante dieléctrica 80 veces mayor que el aire. Luego si se utiliza como dieléctrico, una mezcla gaseosa que contenga vapor de agua, el valor C 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 a estable que varía su frecuencia de acuerdo al cambio de C, en la Figura 17 se muestra un sensor de este tipo de marca Decagon muy usado en la industria ambiental. (Glaria & Kouro, 2001). Figura 17: Sensor capacitivo EC-5.

Fuente: (Decagon device) 5.3.2.5. TDR (Time Domain Reflectometry). Los sensores TDR (Reflectómetro de dominio de tiempo) emiten un pulso electromagnético a través del suelo y se mide el tiempo de ida y vuelta al reflejarse la onda. Evaluando este tiempo se puede obtener la constante dieléctrica del suelo y a partir de este valor estimar la cantidad de agua en el suelo. (Guastavino, Jorge, & Schinca, 2009). En la Figura 18 se puede observar un sensor TDR s

PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROL DE RIEGO PARA...

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