Sistema_control_humedad

8/7/2019 Sistema_control_humedad

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SISTEMA DE CONTROL DE HUMEDAD YTEMPERATURA PARA INVERNADEROS

Eje temtico: Telecomunicaciones.Autores:

Ing. Libardo Enrique Hernndez Rangel, Universidad Pedaggica y Tecnolgica deColombia (UPTC),[email protected]. - Colombia

Ing. Wilman Pineda - Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia (UPTC),[email protected]. Colombia.

Ing. Dariel Alexandro Bayona Ruiz- Universidad Pedaggica y Tecnolgica deColombia (UPTC) [email protected]. Colombia.

Resumen

Este desarrollo se origina en la Universidad Pedaggica Y Tecnolgica de Colombia(UPTC) Duitama-Colombia por iniciativa de los docentes de la asignaturaMicrocontroladores de las Escuelas de Licenciatura en Educacin Industrial e Ingenieraelectromecnica, el objetivo es controlar de forma precisa la humedad, la temperatura, lailuminacin, la ventilacin y dems variables relevantes para los invernaderos, con laintensin de lograr habientes artificiales e ideales para el buen desarrollo de algunoscultivos. Especficamente se pens en el cultivo deShiitake seta muy exigente en cuantoa condiciones ambientales de cultivo.

Se ha desarrollado inicialmente un sistema de control que consiste de mdulos desensores en base al sensor SHT11 para Temperatura, humedad relativa y punto de roco,mdulos actuadores en base a reles de estado slido y un modulo de control con losalgoritmos de control, fusiones grficas de agradable y til interfaz a usuario mediantepantalla LCD grfica y funciones de datalogger para posterior descarga y anlisis de datos

en PC.

Todos los mdulos se intercomunican de forma inalmbrica en la banda de 2.4Ghzmediante transceiver TRF-2.4GHZ , se eligi la comunicacin inalmbrica porquedisminuye en mucho los costos y el tiempo de instalacin.

En todos los mdulos se eligi como centro del sistema controladores Microchip ya seade la serie 16F8xx o 18F4xx.


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En la parte de simulacin se eligi Proteus Isis por sus modelos de simulacin VSM; ellenguaje de programacin utilizado fue el C y como compilador el software PIC CCOMPILER debido a que ofrece RTOS (Real Time Operating System).

Palabras clave:

Invernadero, humedad, temperatura, inalmbrico, microcontrolado, shiitake, control.


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SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROLVIA INALAMBRICA DE HUMEDAD Y

TEMPERATURA PARA INVERNADEROS L. Enrique Hernndez Rangel Wilman Pineda - Dariel Bayona

Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia (UPTC) - (UPTC) [email protected], [email protected] , [email protected]

Este desarrollo se origina en la Universidad Pedaggica Y Tecnolgica de Colombia(UPTC) Duitama-Colombia por iniciativa de los docentes de la asignaturaMicrocontroladores de las Escuelas de Licenciatura en Educacin Industrial e Ingenieraelectromecnica, el objetivo es controlar de forma precisa la humedad, la temperatura, la

iluminacin, la ventilacin y dems variables relevantes para los invernaderos, con laintensin de lograr habientes artificiales e ideales para el buen desarrollo de algunoscultivos. Especficamente se pens en el cultivo deShiitake seta muy exigente en cuantoa condiciones ambientales de cultivo.

Se ha desarrollado inicialmente un sistema de control que consiste de mdulos desensores en base al sensor SHT11, mdulos actuadores en base a reles de estado slidoy un modulo de control con los algoritmos de control, fusiones grficas de agradable y tilinterfaz a usuario mediante pantalla LCD grfica y funciones de datalogger para posteriordescarga y anlisis de datos en PC.

Todos los mdulos se intercomunican de forma inalmbrica en la banda de 2.4Ghzmediante transceiver TRF-2.4GHZ , se eligi la comunicacin inalmbrica porquedisminuye en mucho los costos y el tiempo de instalacin.En todos los mdulos se eligi como centro del sistema controladores Microchip ya seade la serie 16F8xx o 18F4xx.

En la parte de simulacin se eligi Proteus Isis por sus modelos de simulacin VSM; ellenguaje de programacin utilizado fue el C y como compilador el software PIC CCOMPILER debido a que ofrece RTOS (Real Time Operating System).

INTRODUCCIN

Los invernaderos en Colombia son muyutilizados para cultivar setas o floresestas ltimas son un rengln importanteen las exportaciones del pas, sinembargo la automatizacin deinvernaderos es muy reducida, los pocosproyectos de automatizacin han llevadoa procesos ms eficientes.

Por lo anterior expuesto es de suponerque habr un aumento en la demanda desistemas de telecontrol, telemetra,software de aplicacin, sensores yactuadores que permitan un control delos parmetros que intervienen en laobtencin de un ambiente artificial coninvernadero

Es as como los autores del presenteproyecto deciden hacer un sistema de


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control en base a controladores, estesistema deber ser flexible, de fcilinstalacin, escalable y con una buenarelacin costo beneficio.

MARCO TERICO: Este proyecto inicialmente tiene encuenta medir y controlar las variableshumedad absoluta, humedad relativa ytemperatura. Se define HUMEDAD como la medida delcontenido de agua en la atmsfera. Laatmsfera contiene siempre algo de aguaen forma de vapor. La cantidad mximadepende de la temperatura; crece alaumentar sta: a 4,4 C, 1.000 kg de airehmedo contienen un mximo de 5 kg devapor; a 37,8 C 1.000 kg de airecontienen 18 kg de vapor.El peso del vapor de agua contenido enun volumen de aire se conoce comoHUMEDAD ABSOLUTA y se expresa enunidades de masa de agua por unidadesde masa o de volumen de aire seco.Frecuentemente se utiliza la medida degramos de vapor de agua por metrocbico de aire. La HUMEDADRELATIVA, dada en los informesmeteorolgicos, es la razn entre elcontenido efectivo de vapor en laatmsfera y la cantidad de vapor quesaturara el aire a la misma temperatura.

Si la temperatura atmosfrica aumenta yno se producen cambios en el contenidode vapor, la humedad absoluta no varamientras que la relativa disminuye. Unacada de la temperatura incrementa lahumedad relativa produciendo ROCOpor condensacin del vapor de aguasobre las superficies slidas.

La temperatura a la cual se empieza aformar el roco en el aire que contieneuna cantidad conocida de vapor de aguase llama PUNTO DE ROCO [1].

Continuamente en los ltimos aos seevidencian las ventajas de lasaplicaciones en base a controladores.

Las principales ventajas son el bajo costo

y la flexibilidad por ser reprogramables.Pero ltimamente resalta una ventaja anms importante, esta es el Tiempo y costo de desarrollo, no es lo mismodesarrollar una aplicacin en 7 das queen 3 meses de arduo y desgastantetrabajo.

Los causantes de esta revolucin entiempo y costo son bsicamente elSoftware, tanto simuladores como

compiladores en lenguajes de nivelmedio.

Los simuladores con Modelos Virtualesde Simulacin VSM como el Proteus,permiten no solo simular los tradicionalesmodelos Spice, sino tambin casicualquier CI o dispositivo electrnico.

Incluso pudindose integrar anlisis en eltiempo y en la frecuencia.

Ya pudindose integrar en un simuladortantas y buenas caractersticas solo faltael lenguaje de programacin.

El lenguaje C para programacin detroladores ha venido ganando ampliaaceptacin gracias a compiladores muypotentes como como elPIC C Compiler.

Una de las mejores caractersticas quepuede poseer un compilador, es queofrezca la posibilidad de programar en

modo de tiempo real (RTOS) o Multitarea(Multi-Task), esta caracterstica de (Realtime Operating System) evitadesperdiciar maquina en rutinasDelay,en cambio permite que varias tareas orutinas se estn ejecutandosimultneamente.

En conclusin RTOS es montar en unmicrocontrolador un Sistema Operativo


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que permite Multitarea a ejemplo deLunix, Unix o Windows.

ETAPAS DEL DESARROLLO:

El proceso de desarrollo del sistema sellevo a cavo a partir de las siguientestareas:

Diseo e implementacin de laUnidad central de control

Diseo e implementacin delmodulo de actuadores con controlinalmbrico.

Diseo e implementacin delmodulo de sensor con enlaceinalmbrico.

Todas las tareas se disearon apoyadosen el simulador Proteus, mientras quepara el diseo de las tarjetas de circuitoimpreso se hizo con EAGLE y laconstruccin se realizo en formasincronizada de acuerdo a un diagramade eventos previamente establecido.

El Mdulo o Unidad Central de Controlconsta de los siguientes circuitos.

Reloj tiempo real: El reloj de tiempo real

elegido es el DS1302 del fabricanteDallas Semiconductor ste integrado esuna memoria serial con funciones de relojcalendario. Utiliza el protocolo decomunicaciones SPI tpicamente utilizadopor los microcontroladores PIC.

Banco de memoria: Este tiene porobjetivo almacenar los datos adquiridospor los mdulos de sensores y los datosde las acciones de control, se formo unbanco de 4 memorias seriales compuesto

por integrados referencia 24lC512 quetienen un bus de datos I2C. y juntosforman una capacidad dealmacenamiento de 256 Kbytes.

Interfaz grfica a usuario : consiste deun teclado matricial de 4 x 4 y un displayLCD-GRFICO que tiene comocontrolador un chip de la serie 0108, pormedio de una librera grfica del

compilador PICC especial para estecontrolador grfico se pueden graficarlneas, texto, curvas y puntos.

Para lograr una interfaz grfica a base de

iconos se utiliz un software queconvierte un icono de formato BMP aicono LCD llamado BMP2LCD, luego otrosoftware (LCD2ASM) entrega una tablaque se puede utilizar tanto en lenguajeassembler como en lenguaje C.

Esta ltima tabla representa puntos queen conjunto formaran finalmente ungrfico en la LCD grfica.

Interfaz de Comunicacin al PC:

Consiste de una interfaz segn elprotocolo RS232, configurado a 9600bps, 8 bits y un bit de parada. Adems seutilizo para lograr los voltajes adecuadosde transmisin y recepcin el tpicointegrado MAX232.

MODULO ACTUADOR: El actuadorconsiste de un rel de estado slido conTRIAC, posee una red snubber para eladecuado manejo de las cargasinductivas y tiene una capacidad de 220v16 Amp. Un microcontrolador PIC16f84Arecibe las rdenes va inalmbrica delmdulo de control y por medio de unoptoacoplador con salida de diac controlael rel de estado slido

MODULO SENSOR:

El dispositivo principal es un chipespecfico cuya referencia es SHT11 y unmicrocontrolador que se encarga deconfigurar y leer los datos de humedadrelativa y temperatura.Descripcin: El SHT11 de la casa es unsensor integrado de humedad calibradoen fbrica con salida digital mediante unbus serie sincrono y protocolo especifico.El dispositivo tambin dispone de unsensor de Temperatura integrado paracompensar la medida de humedaddependiendo de la temperatura, en casos


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extremos. Cuenta tambin en su interiorcon un calefactor para evitarcondensacin en el interior de la cpsulade medida para condiciones de niebla osimilar donde existe condensacin.

Funcionamiento: El SHT11 se puedealimentar con un rango detensin continuacomprendido entre 2,4 a5V y es necesario proveerlo mas cerca posible delchip un condensador dedesacoplo de 100nF entre GND y VCC.En la imagen puede observarse unapequea PCB (Printed Circuit Board)realizada al efecto para albergar alSHT11 y su condensador de desacoplo,ya que el sensor se presenta enencapsulado para montaje superficialLCC (Lead Chip Carrier) y es difcil dequitar una vez soldado, as que mejortrabajar con pines mas standard como unSIL de 4 pines.

Como puede verse en el datasheet delSHT11 ,el chip dispone de 10 pinesaunque solo se usan 4 de ellos y losdems se debern soldar en pads al aire,simplemente para la sujecin delintegrado.

El pin DATA corresponde a lasalida/entrada de datos para comandar yleer el sensor y es un pin triestado por loque necesita de una resistencia depolarizacin a Vcc (push-up). SCK seutiliza para sincronizar la transmisin y nodispone de frecuencia mnima [2].

COMUNICACIN INALMBRICA:Durante la fase de desarrollo del equipose fabrico un sistema de comunicacionesbasado en una red de tipo maestro-

esclavo, en donde el mdulo decomunicaciones maestro se colocdentro de la unidad central y los mdulosesclavos se situaron en algunos puntosestratgicos dentro del invernaderodestacndose dos tipos distintos defuncionalidades:

Modulos inalmbricos parasensado de variables.

Modulos inalmbricos para elaccionado actuadores.

El dispositivo base para los modulos decomunicacin es un chip fabricado porLAIPAC TECHNOLOGY INC bajo lareferencia TRF-2.4G el cual se puedeapreciar en la figura . TRF-2.4G es un

transceiver con antena incluida quetransmite a una frecuencia configurableentre 2.4GHz y 2.524GHz, ademstrabaja con un voltaje de 3v y unconsumo de apenas 25mA lo que lo haceideal en equipos portables

Distribucin de pines


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Figura1. Detalle del transceiver TRF 2.4G [3]

Cada modulo de comunicacionesintegrado en el sistema, adems estaconformado por un microcontroladorPIC16f628A de MICROCHIP que seencarga de administrar la operacin del

TRF-2.4G, este micro fue seleccionadopor tener un modulo UART que nospermita hacer una fcil integracin conlos dems sistemas involucrados ademsde su reducido tamao.

En los siguientes diagramas de bloquesse presenta una descripcin de laarquitectura de los mdulos decomunicacin.

a) Mdulo de comunicacin maestro

b) MODULO ESCLAVO de tipo accin

c) MODULO ESCLAVO de tipo sensor

Figura 2. Mdulos de comunicacininalmbrica

La funcin desempeada por elmicrocontrolador ubicado en el modulode comunicacin maestro es la de recibirva RS232 el comando requerido por launidad central y empaquetarlo para quefinalmente sea transmitido por el TWR-24G.De otro lado el microcontrolador delmodulo de comunicacin esclavoconfigura al TWR-24G en modo derecepcin de manera que siempre estaescuchando por el canal decomunicaciones hasta que reciba unpaquete que le haga ejecutar una accincomo por ejemplo: encender elcalentador o transmitir hacia la unidadcentral la lectura de temperatura.

El circuito para el mdulo decomunicaciones

Figura3. Circuito para el modulo de comunicacin

inalmbrica

ACTUADORES

ACOPLE DE

POTENCIA PIC16f628

TRANSCEIVER

TWR 24G

SENSOR SHT11PIC16f628 TRANSCEIVER

TRANSCEIVER

PIC16f628 UART

Unidad

Central


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El esquema de conexiones que semuestra en la figura3,observese quetodas las lneas de configuracin quellegan al conector para el TRF-2.4Gllevan divisores de tensin calculadospara que a 5 Voltios de alimentacin delPIC16f628 llegen justo 3 Voltios altransceiver adems el pin DATA deltranseiver se deriva con otro pin del PICllamado DATA_OUT con el fin demanejar separadamente los datos desalida y de entrada en elmicrocontrolador

EL PROTOCOLO DE

COMUNICACIONESLa red de comunicaciones planteadaposee un maestro y una cantidad mximade 255 dispositivos esclavos, en donde lacomunicacin entre el maestro y elesclavo ocurre en forma bidireccional,como es tpico cada modulo esclavo esetiquetado con un numero en este casode longitud Byte el cual debe ser nicodentro de la red para evitar conflictos porcolisin de datos.

Tanto el comando de peticin como larespuesta al comando (en caso de queexista) es transferido en forma depaquete que sigue el siguiente formato:

inicio 1Byte

capa de

datos

(4Bytes)

fin

1Byte

0xCA DirEsclavo (2Bytes)

NumComando (2Bytes)

0xBA

El campo DirEsclavo contiene elnumero asignado al dispositivo al cual vadirigido el paquete en forma Hexadecimalas por ejemplo si el paquete vadestinado al esclavo numero 125 secolocan dos caracteres : 7 seguido deD (puesto que d125 = 0x7d).

El campo NumComando contiene laorden que debe ser ejecutada por elesclavo de acuerdo a la siguiente tablade asignaciones

Nombre del

Comando

Numero

comando Activacin de puerto de salida {n} An*

DesActivar puerto de salida {n} Dn*Lectura del Sensor1

(Temperatura) S1

Lectura del Sensor2 (Humedad) S2 *: el valor de n determina el numero del puerto

el cual es un carcter entre 0 y 3.

La algortmica

Durante la fase de desarrollo del modulode comunicaciones en particular sobrelas pruebas de comunicacin se observoque en un enlace de dos transeiversTRW-24G el paquete recibido llegaba sinerrores. Sin embargo no todas las vecesque se transmita un paquete ,este nosiempre llegaba a su destino.

Tal situacin es ocasionada por el

sistema de deteccin de errores delTRW-24G, el cual cuando detectacorrupcin de bits en el paquete recibidosimplemente decide no entregarlo a lasalida, sin embargo lo incomodo es queno informa del error sucedido.

Entonces desde el punto de vista deldispositivo esclavo no existe laposibilidad de saber si algn dato hallegado corrupto, simplemente estasordo para ese paquete que ha hechoperdido el transceiver. Lgicamente estorepresentaba una menor eficacia en eltransporte de datos para lo cual se hizonecesario establecer la siguiente reglade juego para la terminal que est enproceso de envi de paquete:


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Cada paquete enviado debe tener unaconfirmacin de recepcin correcta-desde la terminal de destino, en caso deno recibirla se reenva el paquete hastacompletar un nmero estndar de vecesreenvos

Fig 4: Algoritmo Mdulos de comunicaciones Conclusiones:El sistema de monitoreo y control en suprimera etapa permite el registro de lasvariables temperatura y humedad, clculodel punto de roco y por medio del rocoes posible regar de forma indirecta uncultivo de setas ya que estas as lorequieren.Se puede lograr controlar la HumedadRelativa, controlando temperatura pormedio del encendido y apagado decalefactores, apertura demicroaspersores de agua y aperturaautomtica de ductos de ventilacin.

En el sistema de control del ambiente deinvernadero se pueden programar rutinasde para regado directo, aireacin pormedio de ductos de ventilacin y aslograr manejar los niveles de CO2.Tambin encendido de lmparas paraaumentar el tiempo de iluminacin eincrementar la produccin de los cultivos.El empleo de enlace inalmbrico secomprob que es fiable a mximo 100m,lo cual es suficiente.La eleccin de tecnologa inalmbrica afacilitado enormemente las pruebashechas y as mismo facilitar lainstalacin.Queda de este proyecto implementar elsoftware para gestin de los datos en elPC, disear y construir mdulos quetesteen CO2 para calcular la biomasa delcultivo, mdulos de sensores de PH y deintensidad lumnica.Queda poner a prueba el sistema encondiciones reales de trabajo paraanalizar fallas en el diseo.Afortunadamente se cuenta con lacolaboracin y apoyo de las facultadesde agronoma y diseo industrial para elmejoramiento de este sistema.Se espera que con este proyecto que losestudiantes de la asignaturacontroladores se vinculen activamenteen su continuo desarrollo, esto permitirun beneficio mutuo para los diferentesentes interdisciplinares que apoyan yapoyarn este proyecto de

automatizacin.Con lo aprendido en un futuro cercano seespera contribuir a optimizar la economaagrcola de la regin y del pas.

REFERENCIAS[1] Microsoft Encarta 2008[2]www.x-robotics.com [3]www.laipac.com.


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Fig A-6 Detalle modulos Sensores

Fig A-7 Despiece modulo actuador

Fig A-8 Detalle modulo actuador

despiece

Fig A-9 Pantalla inicial

Fig A-10 Pantalla principal


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Fig A-11 Pantalla Vista General

Fig A-12 pantalla Crditos

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