Desarrollo de un sistema de monitoreo y control micro ...

ii

Facultad de Ingeniería

Ingeniería de Electrónica

Programa Especial de Titulación:

“Desarrollo de un sistema de monitoreo y control micro climático en apoyo al

cultivo de arándanos en invernadero en la ciudad de Caraz, Departamento de

Áncash”

Autor: Carlos Raúl Reátegui Arrivasplata

para obtener el Título Profesional de

Ingeniero Electrónico

Lima – Perú

2019

iii

DEDICATORIA

Con todo el amor a mis padres , Dina

Arrivasplata y Raúl Reátegui, mis padres, que

simbolizan la fortaleza y pieza fundamental

que me permite seguir adelante; quienes

velaron por inculcarme valores y por mi

educación, estando incondicionalmente en

todas mis decisiones.

A mis abuelos y hermanos, por la paciencia y

la comprensión en días difíciles en las que su

cariño fue vital para seguir el camino hacia mi

pasión y formación profesional.

iv

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios, principalmente por guiarme, darme la fuerza y sabiduría para conseguir

cada una de mis metas y proyectos, y a mi familia, quienes me dieron su aliento sin

condición para cumplir este objetivo.

En segundo lugar, a los formadores de la escuela de ingeniería electrónica, quienes son

artífices principales del temple y sabiduría que, con su dedicación, buenos consejos y

apoyo incondicional logré en estos años en esta casa de estudios, mi alma mater.

Finalmente, y no menos importante deseo agradecer también los compañeros que se

convirtieron amigos. Ya que gracias a sus buenos consejos y la convivencia pasada fueron

importantes en mi desarrollo personal y profesional.

v

RESUMEN

El presente informe de suficiencia profesional presenta, el desarrollo de un sistema de

monitoreo para el control micro climático en apoyo al cultivo de arándanos en invernadero

en la localidad de Caraz, perteneciente a Ancash; la misma que mediante el uso de una

interfaz gráfica de usuario que permite monitorear las variables de ambientales , las cuales

son gobernados mediante un controlador lógico programable (PLC) y un microcontrolador

Atmega328p, que se comunican usando el protocolo de comunicación Modbus.

Se realizaron las pruebas en invernaderos de la ciudad de Caraz y se logró identificar la

variación de temperatura durante el día y la noche, estableciendo sus valores ideales entre

15°C y 20°C como máximo y 5° y 10° como mínimo; y humedad relativa en el ambiente

cuyo valor ideal oscila entre 60% y 70% tanto de día como de noche, ya que ambas

variables micro climáticas influyen en la producción del fruto en estudio. Por otro lado, se

analizó el control del riego a través del control de la humedad de la tierra mediante

sensores; de esta manera se logró establecer el nivel de riego óptimo en los cultivos,

racionalizando el uso del agua. El sistema de monitoreo planteado fue comparado con los

métodos tradicionalmente usados y se obtuvo mejores resultados, ya que al sistematizar

el control tanto de las variables micro climáticas y el control de la variación de los mismos

a través de sensores se pudo registrar los valores de dichas variables y establecer un

patrón que se aproxima a su nivel óptimo de cultivo.

Con la investigación se aporta a la rama tecnológica en la agricultura, con una interfaz de

comunicación entre controladores y redes industriales con microcontroladores, a su vez

con una interfaz gráfica que permite al usuario final activar los parámetros ideales en

beneficio del cultivo y producción de arándanos.

Palabras clave: automatización, sistema de monitoreo, temperatura, humedad, controlador

lógico programable, Ad mega 328P, Modbus.

vi

ABSTRACT

This professional proficiency report presents the development of a monitoring system for

micro climate control in support of the cultivation of blueberries in the greenhouse in the

town of Caraz, belonging to Ancash; the same as through the use of a graphical user

interface that allows monitoring of environmental variables, which are governed by a

programmable logic controller (PLC) and an Atmega328p microcontroller, which

communicate using the Modbus communication protocol.

The tests were carried out in greenhouses in the town of Caraz and it was possible to

identify the temperature variation during the day and night, establishing their ideal values

between 15 ° C and 20 ° C maximum and 5 ° and 10 ° minimum; and relative humidity in

the environment whose ideal value oscillates between 60 % and 70 % both day and night,

since both micro climatic variables influence the production of the fruit under study. On the

other hand, irrigation control was analyzed through the control of soil moisture through

sensors; in this way it was possible to established optimum level of irrigation in the crops,

rationalizing the use of water. The proposed monitoring system was compared with the

methods traditionally used and better results were obtained, since by systematizing the

control of both the micro climatic variables and the control of their variation through sensors,

the values could be recorded of variables and establish a pattern that approximates its

optimum level of cultivation.

With the research it is contributed to the technological branch in agriculture, with a

communication interface between controllers and industrial networks with microcontrollers,

at the same time with a graphic interface that admit the end consumer to activate the ideal

parameters benefit the cultivation and production blueberries.

Keywords: automation, monitoring system, temperature, humidity, programmable logic

controller, Ad mega 328P, Modbus.

vii

ÍNDICE GENERAL

DEDICATORIA ...................................................................................................................... iii

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... iv

RESUMEN ............................................................................................................................. v

ÍNDICE GENERAL ............................................................................................................... vii

INDICE DE FIGURAS ........................................................................................................... x

INDICE DE TABLAS ............................................................................................................. xii

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 13

CAPITULO 1 ........................................................................................................................ 14

ASPECTOS GENERALES .................................................................................................. 14

1.1. Definición del problema ........................................................................................ 14

1.1.1. Descripción del problema .............................................................................. 14

1.1.2. Formulación del problema ............................................................................. 16

1.2.1. Objetivos ........................................................................................................ 16

1.2.2. Alcances y limitaciones ................................................................................. 17

1.2.3. Justificación ................................................................................................... 17

1.2.4. Estado del arte............................................................................................... 18

CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................ 22

MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 22

2.1. Control Micro Climático en Invernaderos ............................................................. 22

2.1.1. Modelos de Invernaderos .............................................................................. 22

2.1.2. Medición de las variables micro climáticas ................................................... 23

viii

2.2. Controladores........................................................................................................ 27

2.2.1. Tipos de Controladores ................................................................................. 27

2.3. Sistemas de Control.............................................................................................. 29

2.3.1. Control de estados ........................................................................................ 29

2.3.2. Control PID .................................................................................................... 29

2.3.3. Supervisión y Monitoreo ................................................................................ 30

2.4. Protocolos de comunicación ................................................................................. 31

2.4.1. Protocolo Modbus .......................................................................................... 31

2.4.2. Swicht Ethernet.............................................................................................. 31

2.4.3. Pantalla HMI .................................................................................................. 32

2.5. Definición de Términos ......................................................................................... 32

a) Automatización Industrial ...................................................................................... 32

CAPITULO 3 ........................................................................................................................ 34

SOLUCIÓN DEL PROBLEMA............................................................................................. 34

3.1. Descripción del sistema de control ....................................................................... 34

3.1.1. Fase 1: Sistema para el monitoreo de variables ambientales en un

invernadero................................................................................................................... 35

3.1.2. Fase 2: Monitoreo y control de la humedad de la tierra del invernadero. .... 44

3.1.3. Fase 3: Desarrollo de una interfaz gráfica de usuario para el monitoreo de las

variables de forma remota ........................................................................................... 50

3.2. Descripción del Invernadero ................................................................................. 53

3.3. Selección de dispositivos...................................................................................... 55

3.3.1. Sensores de Temperatura ............................................................................. 55

ix

3.3.2. Sensor de humedad de la tierra .................................................................... 56

3.3.3. Sensor humedad de tierra ............................................................................. 56

3.3.4. Microcontroladores ........................................................................................ 57

3.3.5. Controladores ................................................................................................ 57

3.3.6. Actuadores ..................................................................................................... 57

3.3.7. Cables de Conexión ...................................................................................... 58

3.4. Requerimientos energéticos del sistema ............................................................. 58

3.4.1. La alimentación y consumo de los sensores y microcontroladores: ............ 58

3.4.2. Conexión y consumo de controladores y actuadores ................................... 61

3.5. Cronograma .......................................................................................................... 62

3.6. Presupuesto Estimado .......................................................................................... 64

CAPITULO 4 ........................................................................................................................ 65

RESULTADOS .................................................................................................................... 65

4.1. Temperatura del ambiente y humedad relativa.................................................... 65

4.2. Resultados obtenidos a través de la interfaz ....................................................... 67

4.3. Comparativa de las formas de riego .................................................................... 70

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 72

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 73

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 74

ANEXOS .............................................................................................................................. 79

A. Programación Pt100 conversión serial Max31865. ................................................. 79

B. Programación Sensores DHT22 y sen093 con comunicación Modbus .................. 81

C. Programación S7 1200 para control y monitoreo de variables. ........................... 85

x

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Incremento de la exportación de arándano (AgrodataPeru, 2016)..................... 14

Figura 2: Parámetros climáticos promedio de Caraz. (AM Online Projects, 2018) ........... 15

Figura 3. RTD Pt100 (Schneider Electric, 2015) ................................................................ 23

Figura 4. Comportamiento del Pt100 respecto a la temperatura versus el valor de

resistencia (Arian Control & Instrumentation, 2013) ........................................................... 23

Figura 5. Sensor capacitivo SEN193 (DF ROBOT INC, 2015) .......................................... 25

Figura 6. Prueba de sensores de humedad de Tierra. ....................................................... 26

Figura 7. Imagen referencial del Atmega328p (Microchip Tecnology Inc., 2014) ............. 28

Figura 8. PLC S7-1200 (Siemens Inc., 2015) ..................................................................... 29

Figura 9. Estados en la lógica de control (Ogata, 2010, pág. 70) ...................................... 29

Figura 10. Diagrama de bloques PID (Ogata, 2010, pág. 110). ......................................... 30

Figura 11 .Diagrama de conexión sistema Scada (Electronics Hub, 2015) ....................... 30

Figura 12. Switch Simatic S7-1200 CSM 1277 (Siemens , 2014). ..................................... 31

Figura 13. Pantalla HMI KTP900 (Solving Systems Engineering, 2017) ........................... 32

Figura 14. Bloques del Sistema. ......................................................................................... 34

Figura 15. Esquema de las conexiones Fase 1.................................................................. 35

Figura 16. Bloque de Conexión Pt100. ............................................................................... 37

Figura 17. Bloque de programación Pt100. ........................................................................ 38

Figura 18. Bloque de conexión Dht22. ................................................................................ 39

Figura 19. Bloques de programación Dht22. ...................................................................... 40

Figura 20. Algoritmo para la lectura del sensor Pt100. ...................................................... 40

Figura 21. Algoritmo para la lectura del sensor DTH22. .................................................... 41

Figura 22. Bloques de programación sub-fase 2. ............................................................... 42

Figura 23. Bloque Modbus en el programa del PLC S7-1200............................................ 43

Figura 24 .Bloque de escalamiento del valor del sensor Pt100. ........................................ 44

xi

Figura 25. Fase 2. ............................................................................................................... 45

Figura 26. Bloques de desarrollo del sensor HT. ............................................................... 46

Figura 27. Bloques de desarrollo del sensor HT. ............................................................... 47

Figura 28. Algoritmo Sen193............................................................................................... 48

Figura 29. Diagrama de bloques de conexión sub-fase 3. ................................................. 49

Figura 30. Bloques de activación SR. ................................................................................. 50

Figura 31. Fase 3. ............................................................................................................... 51

Figura 32. Bloques del sistema. .......................................................................................... 52

Figura 33. Promedio Anual de temperatura y lluvias (SENAMHI, 2018) ........................... 53

Figura 34. Área del invernadero. ......................................................................................... 54

Figura 35. Conexión del regulador de tensión LM1086(Texas Instruments,2015, pag.1). 59

Figura 36. Conexión reguladores de voltaje. ...................................................................... 60

Figura 37. Bloque de conexiones del sistema. ................................................................... 61

Figura 38. Diagrama de Gantt, curso ISP. .......................................................................... 62

Figura 39. Diagrama de Gantt del sistema. ........................................................................ 63

Figura 40. Datos de Temperatura °C versus Resistencia Pt100. ...................................... 65

Figura 41. Gráfica de la temperatura del pt100 a través del puerto serial. ........................ 66

Figura 42. Datos de Humedad del Ambiente y Humedad de la tierra................................ 67

Figura 43. PLC s7 1200 conectado mediante Modbus. ..................................................... 68

Figura 44. HMI activado con la programación hecha. ........................................................ 68

Figura 45. Sensores enviando los datos en tiempo real del cultivo de arándanos............ 69

Figura 46. Bombas de agua activada para el riego automático por medio del tanque. .... 69

Figura 47. Gráficas de las tendencias. ............................................................................... 70

Figura 48. Control de humedad de suelo............................................................................ 71

xii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.Características en función del tipo de sensor de temperatura. ............................. 24

Tabla 2. Características de los sensores de Humedad Relativa ....................................... 27

Tabla 3. Sensor de humedad de tierra ............................................................................... 49

Tabla 4. Descripción del invernadero ................................................................................. 54

Tabla 5. Cuadro comparativo Sensor de temperatura. ...................................................... 55

Tabla 6. Características Max31865 .................................................................................... 56

Tabla 7. Tabla comparativa de sensores de humedad relativa.......................................... 56

Tabla 8. Cuadro comparativo de microcontroladores ......................................................... 57

Tabla 9. Cuadro comparativo de controladores.................................................................. 57

Tabla 10. Cuadro comparativo de cables Ethernet ............................................................ 58

Tabla 11. Presupuesto del sistema ..................................................................................... 64

13

INTRODUCCIÓN

En el presente proyecto de investigación describe los resultados del diseño e

implementación de un sistema para monitorear variables micro climáticas como la

temperatura y la humedad en el cultivo de arándanos en invernaderos de la localidad de

Caraz en Ancash. Para la realización de dicho sistema se hizo uso de las técnicas de

control que se inician sobre una filosofía que parte de los diagramas de flujo de la lógica a

diseñar, y del acondicionamiento de señales generadas por los sensores (Humedad

Relativa, Humedad del Suelo y Temperatura) en un microcontrolador que realiza un ADC

(conversión análoga digital, por sus siglas en inglés) para enviarlas al controlador lógico

programable (PLC), que a su vez realiza la validación en la programación en bloques que

posee, para que genere una retroalimentación continua mediante la interfaz de usuario que

le para que el operador pueda realizar el control y variar los actuadores de manera remota.

Por lo tanto, con este proyecto de investigación, se busca desarrollar un monitoreo y control

micro climático en apoyo al cultivo de arándanos en tiempo real por las variaciones que

puede tener dentro del invernadero, de la temperatura y la humedad y su variación a niveles

óptimos, así como el control del nivel de riego para el uso racional del agua.

14

CAPITULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1. Definición del problema

1.1.1. Descripción del problema

Según el Ministerio de Agricultura y Riego (MINAGRI), en los últimos 20 años, la actividad

agrícola en el Perú ha mostrado tendencia creciente, al punto de que este año se ha

consolidado como la una de las principales actividades económicas para el país; debido al

aumento de las ventas internacionales de productos agrícolas, entre los cuales

encontramos al arándano, un fruto que por su elevado contenido de antioxidantes y valor

nutricional tiene alta demanda a nivel mundial. El incremento de las exportaciones del

arándano de nuestro país, se muestra en la Figura 1, en la que observamos que, de

diciembre del 2015 a enero del 2016, las exportaciones incrementaron en un 110%,

tendencia que se ha ido manteniendo.

Figura 1. Incremento de la exportación de arándano (AgrodataPeru, 2016)

En esa línea, el rendimiento y buen resultado de la actividad agrícola depende de

ciertos factores, siendo el principal y más importante las variaciones climáticas, puesto que

sus fluctuaciones inciden directamente en la producción y productividad, es decir cantidad

y calidad de los productos, en este caso del arándano.

15

Ahora bien, la ciudad de Caraz, ubicada a 67 km de la ciudad de Huaraz, capital de

Ancash; se encuentra a 2256 msnm, con un clima templado cuya temperatura oscila entre

los 16° y 25°C; es catalogada dentro de las principales locaciones abocadas al cultivo y

exportación de arándanos. La técnica que se utiliza para el cultivo de los arándanos es en

algunos casos al aire libre y en otros en invernadero.

En esa línea de ideas, existen factores externos que influyen de manera directa en

el cultivo del fruto en estudio. Estos factores son básicamente climáticos y hablamos de las

épocas de helada por un lado y de sequía por otro. En ambos casos, el arándano se torna

sensible, primero a las bajas temperaturas y segundo a la falta de agua suficiente en el

riego, impidiendo el crecimiento adecuado antes de la floración y su posterior producción

del fruto.

En ese sentido, en la ciudad de Caraz, tal y como se muestra en la Figura 2, de

junio a agosto se registra las temperaturas más bajas que pueden afectar a la producción

del arándano, y son precisamente las fechas en las que la lluvia baja considerablemente,

de modo que el riego se torna limitado.

Figura 2: Parámetros climáticos promedio de Caraz. (AM Online Projects, 2018)

Es entonces que ante los problemas como las heladas, las sequías, se suma el

hecho de que hasta el momento no se ha desarrollado ni implementado en Caraz, un

sistema que permita monitorear la variación del microclima en el invernadero durante las

24 horas del día para controlar factores como la humedad y la temperatura, que permitan

16

entre otros beneficios, incrementar y mejorar la producción, a través de la identificación de

dichas variables mediante sensores y su lectura, los cuales podrían modificarse para ser

llevados a los niveles óptimos que el cultivo del arándano requiere.

Asimismo, es palpable la necesidad de establecer mecanismos para las épocas de

sequía, en las que necesariamente se requiere de un mejor control en el uso del agua para

el riego, pero el uso adecuado, exacto y racional, que permita estabilizar la cantidad óptima

de humedad del suelo y el ahorro del agua mediante la racionalidad.

1.1.2. Formulación del problema

1.1.2.1. Problema General:

¿Cómo monitorear y controlar las variables micro climáticas de temperatura y

humedad en apoyo al cultivo de arándanos en invernaderos en la ciudad de Caraz,

departamento de Ancash?

1.2.1. Objetivos

1.2.1.1. Objetivo General

Desarrollar un sistema de monitoreo y control micro climático de temperatura y

humedad en apoyo al cultivo de arándanos en invernaderos en la ciudad de

Caraz, departamento de Ancash.

1.2.1.2. Objetivos Específicos

Desarrollar un sistema de monitoreo de variables micro climáticas en un

invernadero en apoyo al cultivo de arándanos.

Monitorear y controlar la humedad de la tierra en un invernadero a través de un

sensor capacitivo en apoyo al cultivo de arándanos.

Desarrollar una interfaz gráfica de usuario para el control y monitoreo micro

climático de forma remota en un invernadero en apoyo al cultivo de arándanos.

17

1.2.2. Alcances y limitaciones

Se describirán los alcances y limitaciones del proyecto.

1.2.2.1. Alcances:

La investigación plantea el diseño e implementación de un sistema para controlar

y monitorear variables microclimáticas en invernaderos para producción de

arándano en la ciudad de Caraz, por lo que se espera que sea base y referencia de

la implementación de proyectos que permitan controlar y monitorear factores como

la humedad y la temperatura para optimizar la producción de arándanos.

1.2.2.2. Limitaciones:

La investigación tiene carácter experimental, puesto que, para desarrollar un

sistema como el planteado, se realizaron visitas de campo a algunas empresas

productoras de arándanos de la ciudad de Caraz para observar las formas de

producción y técnicas de cultivo y se probaron las maneras de controlar la

temperatura y la humedad para la mejora de la producción. Las limitaciones van por

el lado de lo burocrático que resulta poder ingresar a los campos de producción e

invernaderos y más aún realizar las pruebas y muestreos.

1.2.3. Justificación

El presente diseño del invernadero automatizado se justifica por su:

1.2.3.1. Relevancia Social:

El presente diseño se enfoca en el sector agrícola, por tanto, la investigación

será la información teórica que las empresas productoras de arándanos puedan

usar para mejorar las técnicas de cultivo y optimizar resultados. De esta manera, se

incrementará el valor agregado de los arándanos, cuya producción al aumentar

generará mayor grado de exportación y por lo mismo más entradas de divisas al

país.

18

1.2.3.2. Implicaciones Prácticas:

El desarrollo de un sistema automático está basado básicamente por el uso de

sensores y actuadores, los cuales realizarán la adquisición de valores análogos,

que a través del accionamiento e interacción permitirán el monitoreo de las variables

con la variación de las mismas en el invernadero. Por lo que, esta investigación

ayudará a implementar invernaderos con monitoreo para la producción de

arándanos, y por qué no, ampliarse para el cultivo de otros productos de origen

agrícola para su venta internacional.

1.2.3.3. Valor teórico:

Los invernaderos automatizados en el Perú, con las características que posee el

presente diseño, no son comercialmente implementados y desarrollados. Es por

ello, que el presente diseño se considera como un antecedente por su aporte al

estudio y desarrollo de la implementación de nuevas tecnologías para el cultivo en

el ámbito agrícola.

1.2.4. Estado del arte

Se presentarán algunos proyectos de investigación y tesis referentes a la

problemática planteada:

1.2.4.1. Antecedentes Internacionales

En torno al uso de sistemas automatizados en los invernaderos, (Ordoñez

Mendieta & Villavicencio Eras, 2016), concluyen en su investigación que

“actualmente los procesos dentro de un invernadero se realizan de forma manual

dejando el margen de error humano al descubierto como la intuición de un agricultor

a la hora de regar un cultivo, dependiendo de la temperatura las actividades

manuales no son tan precisas para regular un adecuado ambiente de cultivo, por lo

tanto la precisión que nos brindan los sistemas inteligentes son capaces de distribuir

todas estas actividades satisfactoriamente, ocasionando en su totalidad una

19

producción rentable para los agricultores y un estudio a fondo de las variables que

afectan en el crecimiento de los cultivos. Por lo que en la investigación se describe

la construcción física, como lógica de un sistema multi agente para automatizar un

invernadero, la unión de hardware y software, para el control de sensores y

actuadores del prototipo, con la aplicación de la teoría de agentes inteligentes junto

con Java para determinar la actuación oportuna de los dispositivos electrónicos,

conectando Arduino con Java y el paquete jade para crear un sistema Multiagente

que automatice los procesos manuales habituales de un invernadero”.

En esa línea de idea, (Pérez Zavala, López Guevara, & Romero Vásquez, 2016)

en su investigación sostienen que “actualmente, términos como control automático,

sistemas de riego automatizado y sistema de climatización, son utilizados para

hablar a grandes rasgos de un invernadero en donde se cultivan productos

hidropónicos en otros países. Lo que permite pensar que hortalizas como el tomate,

altamente demandado en Centro América, pueden también cultivarse de la misma

manera en El Salvador”. Esta investigación muestra los avances tecnológicos que

se pueden implementar en un cultivo, en un ambiente controlado, además, el

método más eficaz para garantizar la calidad y producción de este. Así como la

metodología u orden lógico que se debe llevar acabo para la realización de un

proyecto de tal magnitud, con especificaciones que van desde el sitio para el

proyecto hasta la cantidad de producto que se recogería anualmente, ya sea

automatizando un invernadero existente o creando uno desde cero, ejemplificando

las ganancias y retorno de la inversión a mediano plazo. Además de los

conocimientos que deben tener las personas que deseen implementar dicho

proyecto dentro de la investigación.

Asimismo, (Gonzaléz, 2016), en su investigación se centró en los problemas para

obtener los valores de las variables, como el mal uso de los componentes líquidos

20

tales como el agua y el porcentaje de pérdida del cultivo, y determinó que “En base

al análisis interno de la empresa Millaranda, donde se utilizan herramientas tales

como PEST, FODA, Porter, Diagrama Ishikawa y Análisis de Pareto, se logra

identificar los puntos que necesitan una mayor mejora, con el objeto de disminuir

las pérdidas de producción a un corto plazo. Al finalizar el análisis anterior, se logra

efectuar una propuesta de mejora, en base a las principales causas que afectan la

producción de arándanos. Además, se efectúa un análisis técnico y económico al

proyecto, tales como la implementación de un nuevo diseño de invernadero, con un

sistema automatizado con PLC, además se investiga los mejores insecticidas para

controlar las plagas que afectan al fruto, y, por último, se efectúa un estudio,

efectuando dos propuestas de capacitación, que se implementan al área agrícola”.

Por su parte, (Carrillo & Vázquez Minjares, 2008), concluyeron que “el diseño del

prototipo de un invernadero debido a la complicidad de éstos, basan sus modelados

solo en comportamientos dirigidos por objetivos y se formulan en 8 términos de

metas, sacando conclusiones a partir de los hechos observados, forzando a que las

variables de un sistema se comporten como trayectorias definidas a las

necesidades requeridas para un desempeño óptimo de los conjuntos que

conforman el sistema del invernadero mediante la automatización de procesos en

la producción y el monitoreo y control de variables climáticas”.

1.2.4.2. Antecedentes Nacionales

A nivel nacional, en un estudio realizado por (García Alama, 2014) para el diseño

de invernaderos en las alturas de la ciudad de Piura, determinó en su investigación,

que “las estrategias de control determinan la estructura o circuito que sigue la

información y que dependiendo de la aplicación (entorno de trabajo, máquina) a

gobernar se debe definir el actuar de las variables de proceso (nivel, humedad,

presión, flujo, temperatura, etc.)”, por lo que en sus conclusiones propone un

21

sistema para controlar los estados dentro del invernadero como son los valores

Micro Climático consideradas como las variables más importantes.

En cuanto al análisis electrónico, (Arias, 2018), sostiene que “el intercambio de

datos entre los PLC y los HMI se realiza a través del protocolo de comunicación

Modbus TCP; y que la implementación del sistema automatizado con PLC mejora

el control y supervisión de los filtros Aquazur tipo V de la planta Nº2. De ese modo,

los filtros se pueden lavar en modo manual (desde el HMI Filtro), semiautomático

(desde el HMI Filtro y HMI Maestro) y automático (desde el SCADA)”.

Por otro lado, (Ponce Cruz, 2014) , sostiene que “El aumento de la humedad

relativa en el invernadero alcanzando los niveles entre el 80 y 85% deben ser evitados

debido a que este nivel de humedad puede causar enfermedades en las plantas y

reduce su transpiración, así también pueden generar precipitaciones que no son

deseadas en el invernadero causando que este se puede inundar”; por lo que es

imprescindible tener en cuenta los niveles de la humedad y su control en el cultivo.

En las investigaciones tanto a nivel internacional como nacional, se concluye que la

implementación de sistemas automatizados para el monitoreo y control de variables como

la humedad y la temperatura son imprescindibles si es que el objetivo es optimizar la

producción y el riego adecuado en el proceso del mismo.

22

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1. Control Micro Climático en Invernaderos

Actualmente se dispone de sensores con la capacidad de medir de manera

primordial la temperatura ambiente, humedad relativa del ambiente, radiación, volumen de

gases al interior, etc. A su vez, los valores obtenidos en el proceso de sensar las variables

que por lo general son análogas, son convertidas en valores digitales para poder generar

un interfaz para el usuario y/o se realice la activación o accionamiento de actuadores

2.1.1. Modelos de Invernaderos

2.1.1.1. Invernadero Fríos

Su mantenimiento se caracteriza por lo relativamente económico, ya que posee

un diseño estructural para recibir la irradiación del sol. Dependiendo de su ubicación

geográfica posee un rango de valores de temperaturas y que no es usual para

vegetación sensible al frío.

2.1.1.2. Invernadero Frescos

Usualmente este tipo de invernadero registra temperaturas cálidas durante las

horas del día puesto que, por las noches se necesita la ayuda de un mecanismo de

calor externo.

2.1.1.3. Invernaderos Tropicales:

El mantenimiento de este tipo es muy alto, debido a que durante las 24 horas

requiere de un mecanismo de calor externa, usualmente los cultivos asignados para

este tipo de microclima son los cultivos de características tropicales. Para la

dosificación de agua se realiza un procesamiento de señales mediante

microcontroladores conectados a higrómetros para realizar un lazo cerrado siempre

que requiera dosificar el agua.

23

2.1.2. Medición de las variables micro climáticas

Realizar las medidas de las variables micro climáticas en el cultivo es parte

fundamental para generar la lógica de acuerdo con los valores mencionados.

2.1.2.1. Medición de Temperatura

Básicamente la toma de datos de la temperatura, es la conversión de las señales

analógicas proveniente del ambiente y convertirlo en una unidad medible, que en

este caso serían los grados Celsius (°C), la que se observa en la Figura 3.

Figura 3. RTD Pt100 (Schneider Electric, 2015)

a) RTD PT 100: Sensor en el cual, el incremento de temperatura lo hace

directamente con el valor de la resistencia de la juntura de los metales que

lo componen. (0°c es aproximadamente 100Ω). Por ello en la se observa

la curva característica del incremento de temperatura y la resistencia en

una curva no lineal, apreciada en la Figura 4.

Figura 4. Comportamiento del Pt100 respecto a la temperatura versus el valor de

resistencia (Arian Control & Instrumentation, 2013)

24

b) Termocuplas: Una termocupla se define como la juntura entre dos

filamentos de metal con propiedades no iguales. El contacto entre los

filamentos genera una diferencia de potencial que es equivalente al cambio

de temperatura.

c) Circuitos Embebidos medidores de Temperatura: en desarrollo de

proyectos de bajo costo, la gran mayoría de los dispositivos propuestos

anteriormente tienden a poseer un gran costo no solamente económico,

sino que requieren conexiones adicionales. Sin embargo, los circuitos

embebidos medidores de temperatura son ideales, circuitos caracterizados

por su fabricación en silicio con salida digital o analógica.

En la Tabla 1 se detallarán las características de los sensores presentados,

que por el rango de temperatura y distancia de conexión se seleccionó el sensor

Pt100.

Tabla 1.

Características en función del tipo de sensor de temperatura.

Tipo de sensor Rango de

temperatura

Distancia de

conexión Precios

Pt100 -80 °C <T< +230°C 2 m S/.45.00

LM35 -55ºC < T < 150ºC 30 cm S/.5.00

DS18B20 -55°C<T< +125°C 10 cm S/.3.00

Fuente: Elaboración Propia

2.1.2.2. Medición Humedad del Suelo.

La medición de la humedad del suelo está a cargo del sensor capacitivo SEN193.

Ver Figura 5.

25

Figura 5. Sensor capacitivo SEN193 (DF ROBOT INC, 2015)

a) SEN0193: sensor capacitivo que posee una salida análoga de la variación en

sus terminales, respecto la humedad de la tierra, mediante su salida análoga

se obtiene datos que tienen un rango de <200-900> según cuan húmedo estén

sus terminales.

b) Sensor resistivo FC-28: Se caracteriza por tener un sencillo proceso de

medición por la variación de su conductividad. La cuál, no posee cierta

confiabilidad entre la toma de datos en un tiempo determinado, no se

recomienda su uso para proyectos que requiera precisión.

c) Sensor resistivo Funduino: La estructura está comprendida por dos

sondas, las cuales se determina como una impedancia variante; Pues su

procedimiento para realizar las medidas, comprende que el incremento es

directamente proporcional entre el aumento de material líquido y la

conductividad .Es decir, a mayor presencia líquida habrá mayor conductividad

y se recomienda aislar la parte de electrónica (las salidas hacia el

microcontrolador).

A continuación, en la Figura 6, se presentan los resultados de las pruebas físicas

realizadas a los sensores en distintos casos de sensado, lo cual tenemos como resultado

la elección del sensor Sen0193, por su estabilidad en el comportamiento a las

concentraciones de sal que podía tener los diferentes suelos.

26

Figura 6. Prueba de sensores de humedad de Tierra.


2.1.2.3. Medición Humedad Relativa.

a) DHT22: Dispositivo que realiza la toma de datos ambientales, calculada

mediante la diferencia de potencial entre la salida digital y la entrada analógica,

que son enviadas al microcontrolador para el acondicionamiento de la señal.

b) DHT11: Dispositivo que realiza la toma de datos ambientales, el cual se

caracteriza por su de bajo precio. Posee salida digital y no una salida analógica.

c) BME280: Dispositivo embebido que se caracteriza, por su alta precisión en

las diferentes variables como ambientales y de presión. Su procedencia europea

le da un estándar.

En la Tabla 2 se muestras las especificaciones de los sensores mencionados, se elige

el DHT22, debido al tiempo de respuesta y el tipo de conexión al microcontrolador.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Aire Agua Salada Tierra Seca Tierra Húmeda

Prueba de Sensores de Humedad de Tierra

Fundino FC-28 Sen0193

27

Tabla 2.

Características de los sensores de Humedad Relativa

Sensor de

Humedad Relativa

Rango de

Humedad

Interfaz de

Conexión

Precisión Tiempo de

Respuesta

Dht11 20%<Hr<90% Single-bus 5%HR 2.8 s

Dht22 0%<Hr<100% Single-bus 2%HR 1.8 s

BME280 0%<Hr<100% I2C o ISP +-3HR 1 s


2.2. Controladores

2.2.1. Tipos de Controladores

Existen varios tipos de controladores, en este caso detallaremos los que

intervendrán en el proyecto de investigación:

2.2.1.1. Microcontroladores

Según (Mandano Pérez, Melendez Fuertes, Fernández Ferreira, & Lopez Matos,

2007), “Un microcontrolador (Microcontroller) es un circuito integrado digital

monolítico que contiene todos los elementos de un procesador digital secuencial

síncrono programable de arquitectura Harvard o Princeton (Von Neuman). Se le

suele denominar microprocesador integrado o empotrado (Embedded processor) y

está especialmente orientado a tareas de control y comunicaciones”

Para la investigación se usará el microcontrolador DsPic30f4013.Ver Figura 7.

28

Figura 7. Imagen referencial del Atmega328p (Microchip Tecnology Inc., 2014)

a) Atmega328p: “Microprocesador de bajo consumo de energía, periféricos

flexibles y un completo ecosistema de desarrollo de herramientas de

software y hardware para acelerar su desarrollo. Con periféricos

especializados para el control del motor, la conversión de energía digital,

la seguridad de baja potencia y la integración analógica avanzada, la

familia de 16 bits ofrece un buen equilibrio entre bajo costo, baja potencia

y alto rendimiento. La amplia línea de productos incluye desde

microcontroladores eXtreme Low Power hasta controladores de señales

digitales de doble núcleo de alto rendimiento”. (Digi-Key Electronics, 2014)

2.2.1.2. Controlador Lógico Programable.

Programmable Logic Controller o Controlador lógico programable, es un

dispositivo electrónico, en cual se programa con lógica o lenguaje Ladder, los cuales

poseen entradas para sensores análogos y digitales que mediante un algoritmo

puede gobernar salidas tanto digitales como análogas. Para la investigación se

eligió usar el PLC Siemens S7-1200. Ver Figura 8.

29

Figura 8. PLC S7-1200 (Siemens Inc., 2015)

2.3. Sistemas de Control

2.3.1. Control de estados

El método se caracteriza por ser una de las lógicas más simples, debido a que

solamente tiene 2 estados para controlar, llámese estado 1 (digital) u On y estado 0 (digital)

u Off. Es decir, solamente se tiene que verificar en qué estado está y poder asignar el

control. Ver Figura 9.

Figura 9. Estados en la lógica de control (Ogata, 2010, pág. 70)

2.3.2. Control PID

El control P.I.D, hace referencia a la técnica de control ya sea en lazo cerrado y/o

lazo abierto de cualquier proceso. Ver Figura 10.

30

Figura 10. Diagrama de bloques PID (Ogata, 2010, pág. 110).

2.3.3. Supervisión y Monitoreo

2.3.3.1. SCADA.

“El clásico supervisor soportado por un SCADA es un sistema de control que

integra las tareas de detección y diagnóstico de fallas, como una actividad previa

que permite incorporar de manera natural el control de fallas.)”. (Cerrada, 2011) Ver

Figura 11.

Figura 11 .Diagrama de conexión sistema Scada (Electronics Hub, 2015)

31

a) Interfaz Hombre-Máquina (HMI): “Un panel de control diseñado para

conseguir una comunicación interactiva entre operador y proceso/máquina,

con la función de transmitir ordenes, visualizar gráficamente los resultados y

obtener una situación del proceso/máquina en tiempo real” (Solving Systems

Engineering, 2015).

2.4. Protocolos de comunicación

2.4.1. Protocolo Modbus

“El protocolo Modbus no se corresponde propiamente al estándar de red,

incluyendo todos los aspectos desde el nivel físico al de aplicación, si no a un protocolo de

enlace (nivel 2 del modelo OSI). Se suele hablar de Modbus como un estándar de bus de

campo, cuyas características se detallan a continuación.” (Universidad de sevilla, 2015)

2.4.2. Swicht Ethernet

El Swicht compacto de Siemens posee 4 puertos para comunicación Ethernet, en

el cual posee velocidad de transmisión de 10/100 Mbit/s, que para el caso práctico de la

investigación comunica el PLC la pantalla Kt900 y el microcontrolador.. (Automation24,

2018). Ver Figura 12.

Figura 12. Switch Simatic S7-1200 CSM 1277 (Siemens , 2014).

32

2.4.3. Pantalla HMI

“HMI (Human-Machine Interface) es una ‘interfaz hombre-máquina’, un panel de

control diseñado para conseguir una comunicación interactiva entre operador y

proceso/máquina, con la función de transmitir ordenes, visualizar gráficamente los

resultados y obtener una situación del proceso/máquina en tiempo real”. (Solving Systems

Engineering, 2017) Ver Figura 13.

Figura 13. Pantalla HMI KTP900 (Solving Systems Engineering, 2017)

2.5. Definición de Términos

Se realizará la definición de algunas terminologías usadas en la investigación para conocer

un poco más sobre los términos que se tienen poco conocimiento al respecto. Entre los

siguientes términos tenemos:

a) Automatización Industrial

Disciplina que gobierna los fundamentos para automatizar procesos y sistemas

mediante controladores industriales que incluye sensores, actuadores y lo

comunica con el usuario mediante interfaces gráficas para realizar el control y

monitoreo en tiempo real (Innovative, 2015).

33

b) PLC

Es un Controlador Lógico Programable, el cual se usa en las industrias, para

realizar las funciones como controlar y automatizar procesos robustos.

c) Lenguaje de Programación en C

“Es el lenguaje de programación de propósito general asociado al sistema

operativo UNIX, siendo un lenguaje de medio nivel. Trata con objetos básicos como

caracteres, números también con bits y direcciones de memoria” (Universidade da

Coruña, 2017)

d) Microcontrolador

Un microcontrolador, se define como un es un circuito embebido, en el cual se

pueden ejecutar las instrucciones programadas mediante el algoritmo. Posee una

estructura operacional en bloques, que tienen control periférico mediante las salidas

análogas y/o digitales realizan las acciones.

e) Lenguaje Ladder

Lenguaje de programación mediante diagramas eléctricos en serie o ramas de

circuitos. En la cual posee una serie de contactos, que pueden ser contactos de

entrada y/o salida. En la actualidad el lenguaje Ladder, posee innumerables formas

de interfaz, siendo una de las más conocidas el HMI.

34

CAPITULO 3

SOLUCIÓN DEL PROBLEMA

3.1. Descripción del sistema de control

Figura 14. Bloques del Sistema.


El sistema de monitoreo se basa en la teoría de control de lazo cerrado, la cual consta con

sensores de variables micro climáticas y detectar la humedad del suelo, los cuales tienen

un acondicionamiento de señales para ir conectados a un microcontrolador, para luego ir

conectados a una placa la cual tiene un acordonamiento electrónico que se conecta vía un

cable Ethernet y hace uso del protocolo de comunicación Modbus TCP/IP-previamente se

realiza la conexión a un Swicht, el cual cuenta con puertos no gestionables- con el

controlador lógico programable (PLC). Para ser conectado a una interfaz gráfica de control,

35

que es una pantalla táctil, para el monitoreo y control remoto con el usuario final. En la

Figura 14 se observa el esquema de conexiones del sistema.

El presente sistema se distribuye en 3 Fases, para su mayor análisis, las cuales

pasaremos a detallar a continuación:

Fase 1: Sistema para el monitoreo de ambientales en un invernadero.

Fase 2: Monitoreo y control de la humedad de la tierra del invernadero.

Fase 3: Desarrollo una interfaz gráfica de usuario para el monitoreo de las variables

de forma remota

3.1.1. Fase 1: Sistema para el monitoreo de variables ambientales en un

invernadero

3.1.1.1. Esquema gráfica de conexiones

En la Figura 15, Se observa el diseño y el conexionado de los sensores de

temperatura ambiente y humedad relativa en el ambiente en la Fase 1, a través del

diagrama de bloques, tanto en el proceso de acondicionamiento de señal y como

en el proceso de monitoreo con la interfaz gráfica.

Figura 15. Esquema de las conexiones Fase 1.

36

Fuente: Elaboración propia.

Se desglosa en 2 sub-fases, el diseño del sistema para monitorear las variables micro

climáticas en el invernadero

3.1.1.2. Análisis de la Fase 1:

a) Sub Fase 1: La conexión del sensor Rtd Pt100 se realiza de forma directa

al dispositivo Max31865, el cual, realiza la conversión y cálculo de la

Resistencia interna por software teniendo una resistencia de referencia

(Rref=430Ω). Para calcular la ratio de forma manual y posteriormente para

calcular la Resistencia del Pt100 se realiza los siguientes cálculos.

Para hallar la resistencia del pt100, usaremos las siguientes formulas:

𝛼 =𝑅100 − 𝑅0

𝑅0 × 100°𝐶

Donde:

Reemplazando Valores:

𝛼 =𝑅100 − 𝑅0

𝑅0 × 100°𝐶

𝛼 = 0.00430𝑥10−3°𝐶−1

Aproximando, α=430.

Posteriormente, se conecta de forma serial el Max31865 al Atmega328p (1)

para extraer los valores de temperatura y escalarla de manera digital (mínimo 0°C

a máximo 40°C) para enviar los valores mediante un pin de salida digital al

α = Coeficiente de temperatura.

R100= Resistencia a 100°C

R0= Resistencia a 0°C

α = Coeficiente de temperatura.

R100= 143Ω

R0= 100Ω

37

Atmega328p (2), el cual mediante protocolo serial envía los datos de la temperatura

del ambiente al Ethernet Shield.

En las Figura 16 y Figura 17 se observa los diagramas de flujo de conexión y

programación respectivamente del sensor de temperatura RTD Pt100.

Figura 16. Bloque de Conexión Pt100.

Fuente: Elaboración propia

38

Figura 17. Bloque de programación Pt100.


39

El sensor de humedad relativa Dht22, realiza la conversión de los valores

analógicos del porcentaje de humedad en el ambiente, para ser enviados mediante un pin

digital al Atmega328p (2) y este a su vez, mediante protocolo serial envía los datos de la

temperatura del ambiente al Ethernet Shield.

En la Figura 18 y Figura 19 se observa los diagramas de flujo de la conexión y

programación respectivamente para el sensor de humedad relativa en el ambiente DHT22.

Figura 18. Bloque de conexión Dht22.


40

Figura 19. Bloques de programación Dht22.


En la Figura 20 y Figura 21, se observan los algoritmos que gobiernan los dispositivos de

medición de las variables microclimáticas. Para ver programación completa Ver Anexo A y

Anexo B respectivamente.

Figura 20. Algoritmo para la lectura del sensor Pt100.

41


Figura 21. Algoritmo para la lectura del sensor DTH22.


b) Sub Fase 2:

La conexión del Ethernet Shield (ES) y el Swicht se da mediante el protocolo

Modbus TCP/IP, el cual mediante el algoritmo asigna una dirección IP al ES, la cual es

“192.168.0.14” con una dirección Mac: “0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED” para realizar envió

datos al Swicht, que respectivamente realiza la comunicación con el PLC (Programador

Lógico Programable). En la Figura 22 se observa el bloque de programación requerida para

el envío de datos de manera bidireccional entre el ES y el PLC respectivamente.

42

Figura 22. Bloques de programación sub-fase 2.


El interfaz gráfico, tiene conexión con el Swicht-mediante conexión Ethernet- para que

realice la función de trasmitir los datos provenientes del PLC. Tiene asignado una dirección

IP que es “192.168.0.15” para poder realizar la comunicación con el PLC. El interfaz gráfico

está en apoyo al usuario final donde se observan los datos provenientes de los sensores

43

de temperatura y humedad relativa en el ambiente, como las gráficas generadas por los

mismos en tiempo real.

Se observa en la 3 el bloque de programación en el software TIA Portal que gobierna el

PLC, para realizar la recepción de la data enviada a través del protocolo Modbus TCP/IP

en tiempo real, humedad relativa del ambiente y en la Figura 24 el bloque de escala los

valores de temperatura, <0ºC a 40ºC>, para proceder a incluirlo en la lógica de bloques

para realizar el monitoreo, mediante la interfaz gráfica.

Figura 23. Bloque Modbus en el programa del PLC S7-1200.


44

Figura 24 .Bloque de escalamiento del valor del sensor Pt100.


3.1.2. Fase 2: Monitoreo y control de la humedad de la tierra del invernadero.

3.1.2.1. Esquema gráfico de conexiones:

En la Figura 25, observamos el esquema gráfico de conexiones del sensor de

humedad de tierra en la Fase 2, a través del diagrama de bloques, tanto en el

proceso de acondicionamiento de señal y como en el proceso de monitoreo con la

interfaz gráfica.

Se desglosa en 3 sub-fases, Monitoreo y control de la humedad de tierra relativa

en el ambiente en el invernadero.

45

Figura 25. Fase 2.



a) Sub Fase 1:

Se realiza la alimentación y conexión del dispositivo de medición para las

variables de humedad de suelo en el invernadero, que a través de sus placas

capacitivas registren el valor analógico de la humedad de la tierra, para luego ser

conectada al Atmega328p (2) que, a través del bloque convertidor análogo digital,

procese la data para generar los condicionantes respecto a la humedad de la tierra.

Dicha data se envía mediante interfaz serial al Ethernet Shield, que a su vez realiza

el envío de dicha data al PLC.

En la Figura 26 y Figura 27, observamos el bloque de desarrollo del

dispositivo de medicación de humedad de tierra respectivamente.

46

Figura 26. Bloques de desarrollo del sensor HT.


47

Figura 27. Bloques de desarrollo del sensor HT.


El algoritmo que gobierna el dispositivo de medición de humedad de tierra se puede

apreciar en la Figura 28. Para ver la programación completa Anexo.

48

Figura 28. Algoritmo Sen193.


b) Sub Fase 2:

Tenemos la conexión del Ethernet Shield (ES) y el Swicht mediante el protocolo

Modbus TCP/IP, el cual se realiza asignando en el algoritmo una dirección IP al ES, el

cual es “192.168.0.14” con una dirección Mac: “0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED” para

realizar envió datos al Swicht, que respectivamente realiza la comunicación con el PLC

(Programador Lógico Programable).

c) Sub Fase 3.

El empaquetado de datos mediante el protocolo Modbus TCP/IP, se transporta

los datos de manera bidireccional, en la cual existe dentro la lógica de contactos

condicionantes respecto al valor de dicha data en tiempo real. En la Tabla 3, se

observa los rangos de valores asignados para realizar la lógica, que a su vez en la, se

observa el diagrama de la sub-fase3.

49

Figura 29. Diagrama de bloques de conexión sub-fase 3.


Tabla 3.

Sensor de humedad de tierra

SENSOR DE HUMEDAD DE TIERRA

Estados Rango de valores (%) Acción

Tierra Seca Valores<450 Riego

Tierra Húmeda 500<Valores<700 No Regar

Exceso Humedad Valores>750 Alarma


Depende del estado en el que se encuentre los valores obtenidos mediante

el sensor para que pueda activar los actuadores como el sistema de riego y la

50

alarma que indica sobre regado, así evitar pérdidas en el suministro de agua y/o

estropear el cultivo. La activación y parametrización de los valores obtenidos, para

realizar de manera automática, es decir poner los valores en los cuales se desea

activar el riego, y manual, para activar el sistema de riego ha pedido del usuario

final.

En la Figura 30 se puede apreciar los bloques de activación del sistema de riego

Figura 30. Bloques de activación SR.


3.1.3. Fase 3: Desarrollo de una interfaz gráfica de usuario para el monitoreo de

las variables de forma remota

3.1.3.1. Diagramas de Flujo:

En la Figura 31 se aprecia los bloques de la fase 3, donde se detalla la

adquisición de datos mediante los sensores antes mencionados.

51

Figura 31. Fase 3.


Para detallar el proceso de análisis la fase 3, se desglosa en sub-fases


En la Fase 1 y Fase 2, se genera un acondicionamiento y procesamiento de las

señales obtenidas por los sensores correspondientes, que a su vez son conectadas

al Ethernet Shield, para realizar la conexión mediante el protocolo Modbus TCP/IP

con el PLC.

El control y monitoreo se realiza de forma remota mediante la interfaz gráfica,

que consta de un entorno gráfico en una pantalla, en la cual se genera el

procesamiento de la información obtenida para poderla exportar para generar:

gráficas, estadísticas y realizar el posterior análisis. Es por ello, que se evalúa el

comportamiento de los datos obtenidos en el cultivo en un lapso estimado de

tiempo. En la Figura 32 observamos los bloques del sistema.

52

Figura 32. Bloques del sistema.

53


3.2. Descripción del Invernadero

El invernadero, está localizado en la ciudad de Caraz, departamento de Ancash con

una altitud de 2256 m.s.n.m. Con coordenadas de latitud: 9°02'36.1"S y longitud:

77°49'02.1"W. Teniendo un clima tropical, que las temperaturas oscilan entre <14°C-28°C>

por las mañanas y < 6°C – 10°C> por las noches.

Según el (SENAMHI, 2018), el promedio de temperaturas más elevadas y a su vez más

bajas, se registran en Julio, que oscilan entre 26°C y 4°C respectivamente, con un índice

de lluvias de 4.2 mm /mes. Como se observa en la Figura 33.

Figura 33. Promedio Anual de temperatura y lluvias (SENAMHI, 2018)

El invernadero es de tipo túnel, diseñada con un área de 60𝑚2 , que posee una altura de

2.5 m y una cúpula de 1 m con una [Anexo D].

Con una estructura forrada con Policarbonato Alveolar Polygal, el cual posee las siguientes

características:

54

Tabla 4. Descripción del invernadero

Tipo de Invernadero Túnel

Materiales de cubierta Policarbonato Alveolar Polygal Dimensiones 6 x 10 x 2.5 m (ancho x largo x alto)

Peso 800 𝑔/𝑚2

Espesor 4 mm

Aislación Térmica 3.9

𝑊

𝑚2 × °𝐶

LT(Transmisión de luz % por ASTM D 1003)

82

Valores de reducción de Sonido (Db)

15

Curvar Lámina 700 mm


En la Figura 34, se aprecia, la segmentación de manera equitativa en 4 partes de 15𝑚2

con el fin de que se realicen las tomas de datos en toda el área del invernadero para con

ello generar el monitoreo y control de las variables microclimáticas.

Figura 34. Área del invernadero.


55

3.3. Selección de dispositivos.

3.3.1. Sensores de Temperatura

Para la medición de los valores de temperatura, se tomó en cuanta la precisión de

lectura respecto al ambiente, distancia de conexión y precisión, según sus hojas de

datos del fabricante, respectivamente. Para ver ir al Anexo.

Tabla 5.

Cuadro comparativo Sensor de temperatura.

TIPO DE

SENSOR

RANGO DE

TEMPERATURA

PRECISIÓN

DISTANCIA DE

CONEXIÓN

PRECIOS

Pt100 -80 °C <T< +230°C ±0.2%°C 2 m S/35.00

LM35 -55ºC < T < 150ºC ±0.5%°C 30 cm S/.5.00

DS18B20 -55°C<T< +125°C ±1%°C 10 cm S/.3.00


Se eligió el sensor Pt100 por las características ya descritas anteriormente, no

obstante, siendo un sensor con variación de resistencia interna y no lineal, se

necesitó el dispositivo Max31865, para digitalizar los valores variables de

resistencia y corriente, para realizar la conversión y mediante interfaz serial

enviarlas al microcontrolador. Cuanta con las siguientes características, para ver la

hoja de datos ir al Anexo.

56

Tabla 6.

Características Max31865


3.3.2. Sensor de humedad de la tierra

Se presenta las características técnicas, ver Tabla 7, de los sensores de humedad

en el ambiente, de los cuales se precisa la estabilidad de envío de datos, el rango de

medición y repetitividad respecto al almacenamiento de datos realizar envío.

Tabla 7.

Tabla comparativa de sensores de humedad relativa

SENSOR AM2302 / DHT22 DHT11 SHT71

Rango de Medición 0-100% 20-90% 0-100%

Precisión ±2% ±5% ±3% (20<RH<80) ±5% (RH<20, RH>80)

Repetitividad ±1% ±1% ±0.1%

Estabilidad ±0.5% ±1 <0.5%

Precio S/.10.00 S/5.0 S/20.00

Fuente: Fabricante.

La elección del sensor DTH22 se realiza por el ajuste a las necesidades antes

mencionadas.

3.3.3. Sensor humedad de tierra

Las características del sensor de humedad de tierra, se precisa el tiempo de

respuesta y la sensibilidad. Con las pruebas realizadas en el capítulo 2, se elige al sensor

Sen193, de fabricante DfRobot, para realizar el envío de datos mediante el pin analógico

al Atmega328p (2).

MAX31865

Tiempo de Respuesta 21ms

Precisión 0.03%°C

Alimentación 3v – 6v

Precio S/.70.00

57

3.3.4. Microcontroladores

En la Tabla 8, Se detalla la velocidad de comunicación y los puertos para la

conexión serial, tanto como la velocidad de la memoria RAM.

Tabla 8.

Cuadro comparativo de microcontroladores

MICROCONTROLADOR PIC16F84 ATMEGA328P PIC16F877

Memoria de programa. 1Kb 32 Kb 64 Kb

Memoria RAM 68 Bytes 2KB 368 Bytes

Memoria EEPROM 64 Bytes 1KB 256 Bytes

Frecuencia 20 Hz 20 Hz 20 Hz

Precio S/.10.00 S/.18.00 S/.15.00

Fuente: Fabricante

3.3.5. Controladores

Tabla 9.

Cuadro comparativo de controladores

CONTROLADOR LOGO 7 S7-1200 S7-200

Interfaz Ethernet No posee Integrado No posee

Entradas/Salidas 8/4 10/10 8/6

Alimentación 24v 24v 220v

Precio S/.500 S/.800 S/.700

Fuente: Fabricante

3.3.6. Actuadores

Para el actuador del sistema de riego, se logró encontrar la válvula solenoide

Aquative, la cual tiene como conexión a 24v dc.

Para la lámpara de emergencia se seleccionó una alerta sonara de 24v, de la

marca Zafai. Para ampliar ver Anexo.

58

3.3.7. Cables de Conexión

Tabla 10.

Cuadro comparativo de cables Ethernet

CABLE ETHERNET CAT5 CAT5E CAT6

Diámetro AWG 26 (0.48mm). AWG 26 (0.48mm). AWG 23 (0.48mm).

Atenuación (100MHz) 33 dB 31dB 29.1 dB

Precio S/.18.00 S/25.00 S/40.00

Fuente: Fabricante

3.4. Requerimientos energéticos del sistema

Los requerimientos de energía del sistema se basan en las conexiones que se

realizan entre los dispositivos y la potencia que consume el sistema, para ello se realiza el

cálculo de consumo.

3.4.1. La alimentación y consumo de los sensores y microcontroladores:

El consumo de corriente total sería:

𝐼𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 0.0515 𝐴 , 𝑙𝑜𝑠 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛: 3.6𝑣 𝑦 5𝑣

Para diseñar la fuente de tensión y la autonomía que tendrá dicha fuente, se precisa

que los voltajes de alimentación son diferentes, por lo que se hará uso de una fuente de

voltaje – banco de baterías- con las siguientes características.

Vout: 9v con capacidad de I: 10000 mA

Para regular el voltaje de 9v a 3.3, se hace uso del integrado LM1086, el cuál es un

regulador de voltaje. Para realizar el conexionado, realiza un cálculo sobre las resistencias

que se hará uso en el conexionado que se observa en la Figura 35.

59

Figura 35. Conexión del regulador de tensión LM1086 (Texas Instruments, 2015,

pag.1)

Reemplazando la fórmula:

3.6 = 1.25(1 +𝑅2

121)

Obteniendo:

𝑅2 = 227.8

Para determinar el cálculo de resistencias para obtener una salida de 5v, se

reemplazará la formula anterior.

5 = 1.25(1 +𝑅2

121)

Obteniendo:

𝑅2 = 363

Teniendo el cálculo de los valores de las resistencias para los reguladores de

tensión respectivamente, en la Figura 36 se observa la conexión mediante un software

asistido en computadora.

60

Figura 36. Conexión reguladores de voltaje.


61

3.4.2. Conexión y consumo de controladores y actuadores

Figura 37. Bloque de conexiones del sistema.


62

3.5. Cronograma

Se detalla en los siguientes diagramas de Gantt, los cronogramas realizados tanto como en la duración del proyecto de investigación

y el curso de la modalidad de titulación respectivamente.

Figura 38. Diagrama de Gantt, curso ISP.


11/11/2017 16/11/2017 21/11/2017 26/11/2017 1/12/2017 6/12/2017 11/12/2017 16/12/2017 21/12/2017

Reconocimiento de campo

Toma de mediciones del invernadero

Selección de sensores

Selección de microcontroladores y interfaz de comunicación

Diagrama de Gantt del curso ISP 2018

63

Figura 39. Diagrama de Gantt del sistema.


22/09/201712/10/20171/11/201721/11/201711/12/201731/12/201720/01/20189/02/20181/03/201821/03/201810/04/2018

Reconocimiento de campo

Toma de mediciones del invernadero

Selección de sensores

Selección de microcontroladores y interfaz de comunicación

Selección de controladores e interfáz gráfica

Selección de actuadores

Selección y compra de cables de conexión

Programación, simulación de sensores

Programación, simulación del controlador e interfaz grafica

Prueba en ambiente cerrado de sensores y microntroladores

Prueba en ambiente cerrado de controladores e interfaz gráfica

Prueba en ambiente cerrado del sistema y la simulación

simulación de actuadores con el sistema

Pruebas de Sensores y microcontroldores en el invernadero

Prueba del sistema en el invernadero

Prueba de actuadores,control y monitoreo microclimático

Desarrollo de un sistema de monitoreo y control microclimático

Diagrama de Gannt

64

3.6. Presupuesto Estimado

En la Tabla 11., se detalla el presupuesto del sistema.

Tabla 11.

Presupuesto del sistema

DESCRIPCIÓN CANTIDAD VALOR UNITARIO

(En soles) TOTAL

(En soles)

Pt100 1 30.00 30.00

Dht22 1 12.00 12.00

Sen193 1 15.00 15.00

Fuente 9v 1 25.00 25.00

Max31865 1 70.00 70.00

Condensadores 6 0.10 0.60

LM1086 2 2.00 4.00

Atmega328p 2 18.00 36.00

Xtal 2 0.30 0.60

Placa Electrónica 1 20.00 20.00

Ethernet shield 1 25.00 25.00

Cable Ethernet Cat 5e

100m 35.00 35.00

S7-1200 1 600.00 600.00

Switch 1 200.00 200.00

Pantalla 1 500.00 500.00

Alarma 1 25.00 25.00

Válvula Solenoide 1 190.00 190.00

Total 1788.20


65

CAPITULO 4

RESULTADOS

En el presente capítulo se observa los diferentes resultados obtenidos de los pasos

seguidos en las fases descritas en el capítulo 3. Para ello se detallan a continuación:

4.1. Temperatura del ambiente y humedad relativa

Se realiza la medición de la resistencia interna del RTD Pt100, la cual hace

referencia que a una temperatura ambiente (25°C) varía de 100Ω (0°C) a 112 Ω

Por ello se realiza una toma de datos con los valores ambiente del cultivo de

arándanos como se observa en la Figura 40. Datos de Temperatura °C versus

Resistencia Pt100.

Fuente: Elaboración propia.Figura 40.

Figura 40. Datos de Temperatura °C versus Resistencia Pt100.


Se realiza la conexión del Pt100 y el Max31865, para conectarlo al

microcontrolador, obteniendo mediante el monitor serial, la lectura estable de la

110

112

114

116

118

120

122

124

0 5 10 15 20 25 30 35

Valo

r de R

esis

tencia

Temperatura ° C

RTD Pt100

66

temperatura, pese a detectar una caída en la temperatura. Esta toma de datos fue por 5

horas, se puede demostrar en la Figura 41.

Figura 41. Gráfica de la temperatura del pt100 a través del puerto serial.


Para la toma de datos digitales de humedad en el ambiente y humedad de la tierra

se realizó de manera continua durante 5 horas, teniendo datos estables como se puede

ver en la Figura 42.

67

Figura 42. Datos de Humedad del Ambiente y Humedad de la tierra.


4.2. Resultados obtenidos a través de la interfaz

Al configura la pantalla HMI (Human Machine Interface), como interfaz de lectura

de los datos brindando y obtener el valor ideal para el cultivo que es 10°C y 80%Hr de

manera manual o automática. Se obtiene lo siguiente, apreciado en desde Figura 43 hasta

la Figura 47:

68

Figura 43. PLC s7 1200 conectado mediante Modbus.


Figura 44. HMI activado con la programación hecha.


69

Figura 45. Sensores enviando los datos en tiempo real del cultivo de arándanos.


Figura 46. Bombas de agua activada para el riego automático por medio del tanque.


70

Figura 47. Gráficas de las tendencias.


4.3. Comparativa de las formas de riego

En los invernaderos de la localidad de Caraz el riego se realiza de diferentes formas,

Por el método de aspersión y método de goteo. El riego por la técnica de aspersión,

caracteriza por realizar el rocío del agua a las plantas en forma de lluvia localizada;

Mientras que el riego por goteo provoca la infiltración del agua hacia las raíces de la planta

a través de un sistema de tuberías y emisores llamados goteros.

El arándano es una especie muy propensa a deshidratarse, por ello requiere de un

sistema de riego que mantenga constantemente húmedos los primeros 15 a 20 cm del

suelo, por lo que entre ambas técnicas ya descritas se recomienda el riego por goteo. En

ese sentido se realizó la comparación de un sistema de riego por goteo tradicional con el

71

sistema por goteo con el uso del sensor capacitivo. Cuyo monitoreo y control permiten

optimizar resultados en la humedad del suelo a través del tiempo de respuesta del sensor

enviando dichos datos al microcontrolador y posteriormente al interfaz gráfico para que el

usuario final tenga las lecturas de forma remota. Ver Figura 48.

Figura 48. Control de humedad de suelo.


72

CONCLUSIONES

Se realizó diseño e implementación de un sistema, el cual permitirá monitorear y

controlar las variables micro climáticas en el invernadero, que se obtuvieron en las

zonas localizadas del invernadero, para realizar el promedio de los valores

obtenidos y generar un análisis respecto a la estación de cosecha del cultivo.

Durante el monitoreo de las variables ambientales, se designó horarios para

realizarlo, en horas del mediodía y por la noche, para observar el comportamiento

del cultivo con los datos que se obtenía en tiempo real, logrando con esto

determinar de manera práctica los valores ideales para el crecimiento del cultivo

que fueron de <7° - 26°> y <60% - 70%> respectivamente.

Con el monitoreo y control de la humedad de la tierra, se logró determinar

experimentalmente la cuantificación de la variables de humedad de la tierra

deseada, es decir que, de manera automática, el dispositivo de medición activa y

desactiva la válvula solenoide para el riego. Para evitar así el exceso consumo de

agua en el riego, previa activación de la alarma, y que el cultivo esté con la cantidad

que necesita.

Mediante la interfaz gráfica que posee el sistema, el monitoreo en tiempo real y

control de manera automática o manual de la humedad de la tierra, activación del

sistema de riego y de alarma, se genera curvas y comportamiento gráfico de las

variables para el análisis del mismo.

73

RECOMENDACIONES

Se recomienda la formulación y posterior implementación de proyectos de

creación de invernaderos para el cultivo de arándanos, para obtener mejores

resultados en la producción.

Se recomienda la masificación de sistemas para monitorear y controlar

variables micro climático en los invernaderos dedicados al cultivo de arándano,

para que no sólo optimicen resultados en la producción sino también reduzcan

tiempos en la cosecha del fruto, de manera que tal que las empresas puedan

generar más ingresos al incrementar las exportaciones.

Se recomienda la implementación del sistema de monitoreo y control micro

climático en los invernaderos de cultivo de otros productos de agro exportación,

para que al tener éstos mayor valor agregado, influyan en el aumento del valor

de las exportaciones, lo que en definitiva será beneficioso para la economía del

país.

Finalmente, sabiendo que la actividad agrícola es una de las importantes en la

región Ancash y en el país en general, se recomienda incrementar

investigaciones orientadas a la mejora de técnicas de cultivo, principalmente en

sistemas de automatización que permitan lograr no sólo la eficacia sino también

la eficiencia en la producción.

74

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79

ANEXOS

A. Programación Pt100 conversión serial Max31865.

/***************************************************

Programa control de temperatura MAX31865 | 22/03/19

Carlos Réategui.

****************************************************/

#include <Adafruit_MAX31865.h>

Adafruit_MAX31865 max = Adafruit_MAX31865 (10, 11, 12, 13); // pines que usamos para

la comunicación SPI

// Definimos el valor de referencia de la resistencia a 430 ohms para PT100

#define RREF 430.0

// Para ajustar el valor a 0°C definimos a 100 ohms el valor inicial de la resistencia.

#define RN0MINAL 100.0

const int volt = 9;// VOLT PIN 9

void setup ()

Serial.begin(115200);

pinMode (volt, OUTPUT) ;//DECLARAMOS VOLT COMO SALIDA PIN 9

Serial.println("VALORES DE TEMPERATURA REAL PT100");

max. begin(MAX31865_3WIRE); // se parametriza para conexión de 3 hilos.

//Serial.begin(9600);

80

void loop ()

uint16_t rtd = max. readRTD () ;// los bits para lectura

// Serial.print("RTD value: "); Serial.printl(rtd);

float r4tio = rtd;

r4tio /= 32758;

// Serial.print("Ratio = "); Serial.println(r4tio,8);

//Serial.print("R3sistance = "); Serial.println(RREF*r4tio,8);

// Serial.print("Temperature = "); Serial.println(max. temperature (RNOMINAL, RREF));

float t = max. temperature (RNOMINAL, RREF);

Serial.print("Temperature = "); Serial.println(t);

//***********************************************************//

int templeida = int(t); // conversión de la variable t a int, y guardarla en templeida

int voltout= (templeida * 255) /50; // parametrizamos nuestro valor máximo como 40°C =

5v

analogWrite (volt, voltout) ;// salida del voltaje en pin 9.

delay (1500);

81

B. Programación Sensores DHT22 y sen093 con comunicación Modbus

/***************************************************

Programa Control de Variables climáticas con comunicación MODBUS con PLC S71200

Carlos Réategui.

****************************************************/

//******** Declaración de Librerías*****//

#include <SPI.h>

#include <Ethernet.h>

#include <Modbus.h>

#include <ModbusIP.h>

#include <DHT.h>

#include <DHT_U.h> // librería del sensor dht

#include <Wire.h>

//***** DECLARACION DE VARIABLES. ******//

int Pindig2_SenHumedad = 2;// definimos pin digital 2 para entrada

DHT dht (Pindig2_SenHumedad, DHT22) ;// definimos el pin2 como entrada del sensor y

elegimos el modelo DHT22

int Humidity; // variable para la humedad.

const int PinSenTierra = 0; // definimos que el sensor de tierra estará conectado en al A0

int ValorSenTierra;// Valor sensado del sensor de tierra.

82

int SensorTierra;// Variable en % que se guardará el ValorSenTierra

int PinSenTemperatura = A1;

int Templeida;

const int Sensor_IREG_HA = 200; // 30201

const int Sensor_IREG_HT = 300; // 30301

void setup ()

Serial.begin(9600) ;// Comunicación serial 9600 baudios

Wire.begin(); // Conexión al Bus I2C

dht. Begin () ;// iniciamos al sensor DHT22

//****//

// The IP address for the shield

//Config Modbus IP

mb.config (mac, ip);

// Add SENSOR_IREG register - Use addIreg () for analog Inputs

mb. addIreg(SENSOR_IREG);

mb. addIreg(Sensor_IREG_HA);

mb. addIreg(Sensor_IREG_HT);

ts = millis ();

void loop ()

83

//****************//

//mb. task ();

//Read each two seconds

if (millis () > ts + 500)

ts = millis ();

//Setting raw value (0-1024)

mb. Ireg (SENSOR_IREG, analogRead(sensorPin));

//Serial.println(analogRead(sensorPin));

//**************************** Configuramos Sensor de Humedad

**********************************//

Humidity = dht. readHumidity () ;//el dato leído de la humedad se guarda en la variable

Humidity

Serial.println(" Datos Humedad y Riego");

Serial.print(" Humedad Relative: ");

Serial.println(Humidity);

Serial.print('…%');

// Serial.print(Humidity);

//Serial.print('%');

mb. Ireg (Sensor_IREG_HA, Humidity);

84

delay (1500);

//*************************************************************//

// mb. task ();

ValorSenTierra = analogRead(PinSenTierra); // Lectura del sensor

SensorTierra=(ValorSenTierra*0.1) ;// Conversión a %

// mb. Ireg (Sensor_IREG_HT, SensorTierra);

if (ValorSenTierra > 700)

Serial.print(" Necesita Riego, Bomba Encendida. ");

Serial.print(SensorTierra);

Serial.print('%');

else

Serial.print(" Humedad de Tierra Adecuada, Bomba Apagada, Humedad: ");

Serial.print(SensorTierra);

Serial.println('%');

delay (3000);

85

C. Programación S7 1200 para control y monitoreo de variables.

Desarrollo de un sistema de monitoreo y control micro ...

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