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UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO
CONTROLADO DESDE INTERNET, MEDIANTE UNA
INTERFAZ PARA DISPOSITIVOS MÓVILES Y PC
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
JOSÉ CARLOS MOREANO VELASCO
DIRECTOR: FAUSTO FREIRE, PhD
Quito, marzo 2019
© Universidad UTE 2019.
Reservados todos los derechos de reproducción
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 050288192-3
APELLIDO Y NOMBRES: MOREANO JOSÉ CARLOS
DIRECCIÓN:
EMAIL: ppmoreano@gmail.com
TELÉFONO FIJO: 032-804-763
TELÉFONO MOVIL: 0992579303
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO CONTROLADO DESDE INTERNET, MEDIANTE UNA INTERFAZ PARA DISPOSITIVOS MÓVILES.
AUTOR O AUTORES: JOSÉ CARLOS MOREANO VELASCO
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
FAUSTO FREIRE, PhD
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO MECATRÓNICO
RESUMEN: Dada la problemática que causa el estrés
hídrico por déficit de agua en los cultivos, se
desarrolló un sistema de control orientado a la
automatización de las infraestructuras de
riego, el cual se enfoca en: encendido de
bombas, apertura y cierre de válvulas para el
flujo del agua y estado de sensores.
Mediante un análisis de la evapotranspiración
del cultivo y la cantidad de agua existente en el
suelo, se determina el momento idóneo para
realizar el riego. El sistema permite mitigar los
desperdicios del recurso hídrico en sembríos
considerablemente extensos.
El microcontrolador envía y recibe datos del
servidor a través de la tecnología GPRS. El
x
Vargas N12-118 Julio Manovelle
22/03/2019
4
servidor es el encargado de realizar los
diferentes cálculos de transpiración y
evaporación del agua, e implementar la lógica
que permite decidir si es necesario o no
realizar el riego.
El servidor se conecta a la base de datos para
realizar las consultas respectivas que se
requieren, para posteriormente ser
desplegadas de manera gráfica en la interfaz
web.
El usuario interactúa con el sistema mediante
la interfaz web, permitiéndole tener registros
de los valores sensados, observar el estado
del cultivo en tiempo real mediante gráficas, y
modificar el modo de activación de los
actuadores, ya sea de forma manual o
automática.
En conclusión, se abarcaron cada una de las
eventualidades que se pueden presentar en un
entorno real, la manipulación de cada uno de
los actuadores es satisfactoria, al validar los
cálculos realizados por un agrónomo, el
sistema puede ser implementado de manera
satisfactoria.
PALABRAS CLAVES: Evapotranspiración, GPRS, interfaz, actuadores.
ABSTRACT: Starting from the problem caused by the
constant monitoring of the water supply in
large-area crops, a control system was
developed to automate irrigation
infrastructures, which focuses on turning on
pumps, opening, and closing valves for water
flow and sensor status.
Through an analysis of crop evapotranspiration
and the amount of water in the soil, it’s decided
the ideal time to perform the irrigation. The
system allows to mitigate the waste of the
water resource in considerably extensive
crops.
The microcontroller sends and receives data
from the server through the GPRS technology
of the telecommunications company that is
used. The server oversees carrying out the
different transpiration and water evaporation
calculations and implementing the logic that
allows to stablish if it is necessary or not to
carry out the irrigation.
The server connects to the database to perform
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a Dios, mis padres y hermanos por apoyarme
siempre durante mi formación académica, siendo el pilar fundamental para
que se cumpla esta meta.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ................................................................................................. 1
ABSTRACT ............................................................................................... 2
1. INTRODUCCIÓN .............................................................................. 4
1.2. COMUNICACIONES MÓVILES ........................................................ 6
1.2.1. SISTEMA GLOBAL PARA LAS COMUNICACIONES
MÓVILES (GSM) ........................................................................... 6
1.3. INTERNET DE LAS COSAS ............................................................. 8
1.4. SERVICIO WEB ................................................................................ 8
1.4.1. METODOS DE PETICIÓN HTTP .................................................. 9
1.4.2. NOTACIÓN DE OBJETO DE JAVASCRIPT (JSON) .................... 9
1.5. EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET) ........................................................ 9
1.5.1. VARIABLES CLIMÁTICAS .......................................................... 10
1.5.2. FACTORES DE CULTIVO ........................................................... 10
1.5.3. MANEJO Y CONDICIONES AMBIENTALES .............................. 10
1.5.4. EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA ............................. 10
1.5.5. PENDIENTE DE LA CURVA DE PRESIÓN DE SATURACIÓN DE
VAPOR ....................................................................................... 11
1.5.6. FLUJO DEL CALOR DEL SUELO .............................................. 11
1.5.7. RADIACIÓN NETA SOLAR O DE ONDA CORTA ...................... 12
1.5.8. RADIACIÓN SOLAR EN UN DÍA DESPEJADO ......................... 12
1.5.9. RADIACIÓN NETA DE ONDA LARGA ...................................... 12
1.5.10. RADIACIÓN NETA ..................................................................... 13
1.5.11. PRESIÓN DE SATURACIÓN DE VAPOR A TEMPERATURA
DEL AIRE ................................................................................... 13
1.5.12. PRESIÓN REAL DE VAPOR ..................................................... 13
1.7. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO ÚTIL .................................. 14
2. METODOLOGÍA ............................................................................. 15
2.1. REQUERIMIENTOS ........................................................................ 15
2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA ................................................ 16
2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA ........................................... 17
2.3.1. DISEÑO DEL ENTORNO SIMULADO ........................................ 17
2.3.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO FÍSICO ............................................ 19
ii
2.3.3. DISEÑO ELÉCTRICO Y DE CONTROL DEL PROTOTIPO ....... 20
2.3.4. DISEÑO DE LA BASE DE DATOS ............................................. 23
2.3.5. DISEÑO DEL APLICATIVO WEB ................................................ 23
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................... 26
3.1. PRUEBAS DE CONEXIÓN ............................................................. 27
3.2. ACTIVACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO ....................................... 28
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................. 32
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................33
ANEXOS ..................................................................................................34
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Valores mínimos y máximos de humedad en el suelo para cada
nivel de profundidad……………………………………………………22
Tabla 3. Velocidad de respuesta ante una petición POST y GET ............... 35
Tabla 4. Valores de sensores para activación de sistema ........................... 37
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Unidad de control para sistema automático de riego ..................... 4
Figura 2. Arquitectura del sistema propuesto por Electronobo. .................... 5
Figura 3. Sistema central de control de regadío............................................ 5
Figura 4. Arquitectura del sistema de riego basado en IoT ........................... 6
Figura 5. Arquitectura red GSM .................................................................... 7
Figura 6. Arquitectura red GPRS .................................................................. 8
Figura 7. Función del servicio web. ............................................................... 9
Figura 8. Formato de empaquetado JSON. .................................................. 9
Figura 9. Factores que afectan la evapotranspiración ................................ 10
Figura 10. Presión de saturación de vapor en función de la temperatura ... 11
Figura 11. Modelo en V ............................................................................... 15
Figura 12. Diagrama de casos de uso del sistema ..................................... 16
Figura 13. Código para el uso de API “Meteored” ....................................... 17
Figura 14. Insolación global promedio ........................................................ 18
Figura 15. Sensores de humedad a diferentes profundidades y consumo
respectivo de agua…………………………………………………..23
Figura 16. Esquema físico. ......................................................................... 20
Figura 17. Diagrama de Conexiones ........................................................... 21
Figura 18. Librerías de conexión, configuración y empaquetado de datos. 21
Figura 19. Función de empaquetado de datos en formato JSON. .............. 21
Figura 20. Función para el envío de datos .................................................. 22
Figura 21. Diagrama de actividades de la tarjeta Arduino. .......................... 22
Figura 22. Modelo de relaciones entre tablas para la base de datos. ......... 23
Figura 23. Servicio API de recepción de datos (POST). ............................. 24
Figura 24. Diagrama de actividades del servicio API. ................................. 25
Figura 25. Esquema general de funcionamiento ......................................... 26
Figura 26. Ventana de inicio de página web. .............................................. 26
Figura 27. Ventana de gráficas de los sensores. ........................................ 27
Figura 28. Respuestas por parte del servidor ............................................. 27
Figura 29. Velocidad de respuesta por parte del servidor. .......................... 28
Figura 30. Variaciones de humedad para activar el sistema. ...................... 29
Figura 31. Variaciones de temperatura para activar el sistema .................. 29
Figura 32. Variaciones de velocidad de viento para activar el sistema ....... 30
Figura 33. Cantidad de agua para las variables de precipitación,
evapotranspiración y lámina neta para reponer para activar el
sistema……...………………………………………………………...34
Figura 34. Valores para Radiación Extraterrestre 𝑹𝒂 ................................. 35
1
RESUMEN
Dada la problemática que causa el estrés hídrico por déficit de agua en los
cultivos, se desarrolló un sistema de control orientado a la automatización de
las infraestructuras de riego, el cual se enfoca en: encendido de bombas,
apertura y cierre de válvulas para el flujo del agua y estado de sensores.
Mediante un análisis de la evapotranspiración del cultivo y la cantidad de agua
existente en el suelo, se determina el momento idóneo para realizar el riego.
El sistema permite mitigar los desperdicios del recurso hídrico en sembríos
considerablemente extensos.
El microcontrolador envía y recibe datos del servidor a través de la tecnología
GPRS. El servidor es el encargado de realizar los diferentes cálculos de
transpiración y evaporación del agua, e implementar la lógica que permite
decidir si es necesario o no realizar el riego.
El servidor se conecta a la base de datos para realizar las consultas
respectivas que se requieren, para posteriormente ser desplegadas de
manera gráfica en la interfaz web.
El usuario interactúa con el sistema mediante la interfaz web, permitiéndole
tener registros de los valores sensados, observar el estado del cultivo en
tiempo real mediante gráficas, y modificar el modo de activación de los
actuadores, ya sea de forma manual o automática.
En conclusión, se abarcaron cada una de las eventualidades que se pueden
presentar en un entorno real, la manipulación de cada uno de los actuadores
es satisfactoria, al validar los cálculos realizados por un agrónomo, el sistema
puede ser implementado de manera satisfactoria.
Palabras clave:
Evapotranspiración, GPRS, interfaz, actuadores.
2
ABSTRACT
Starting from the problem caused by the constant monitoring of the water
supply in large-area crops, a control system was developed to automate
irrigation infrastructures, which focuses on turning on pumps, opening, and
closing valves for water flow and sensor status.
Through an analysis of crop evapotranspiration and the amount of water in the
soil, it’s decided the ideal time to perform the irrigation. The system allows to
mitigate the waste of the water resource in considerably extensive crops.
The microcontroller sends and receives data from the server through the
GPRS technology of the telecommunications company that is used. The server
oversees carrying out the different transpiration and water evaporation
calculations and implementing the logic that allows to stablish if it is necessary
or not to carry out the irrigation.
The server connects to the database to perform the respective queries that are
required, to be subsequently displayed graphically in the web interface.
The user interacts with the system through the web interface, allowing him to
have records of the sensed values, observe the status of the crop in real time
through graphics, and modify the activation mode of the actuators, either
manually or automatically.
In conclusion, each of the eventualities that can occur in a real environment
were covered, the manipulation of each of the actuators is satisfactory, and by
validating the calculations made by an agronomist, the system can be
implemented in a satisfactory manner.
Keywords:
Evapotranspiration, GPRS, interface, actuators.
1. INTRODUCCIÓN
3
El estrés hídrico de las plantas es producido principalmente por un déficit en
el suministro de agua, lo cual disminuye el desarrollo vegetal, siendo esto una
afección que se evidencia en gran cantidad en el sector agrícola, y más aún,
en épocas del año con déficit de lluvias, zonas de difícil acceso a este recurso
hídrico, e incluso por la mala administración de este recurso natural.
El control del regadío de agua para cada una de las áreas de sembrado,
dependen de: el requerimiento de agua por el tipo de cultivo, la humedad que
presenta el suelo, adecuada división de las tierras agrícolas, la eficiencia de
conducción y distribución del agua; en conjunto ayudan de manera
significativa a una mejor evolución de las siembras. El monitoreo de los
sistemas de suministro de agua resulta una actividad muy elaborada por parte
de los agricultores, ya que requiere una constante vigilancia del correcto
funcionamiento de la infraestructura de riego.
La tecnología denominada Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT),
busca que los objetos del mundo cotidiano tengan conexión a Internet en
cualquier momento y lugar, con una fácil integración en hogares, entornos de
trabajo y lugares públicos. Además, dicha tecnología proporciona la capacidad
de que los objetos sean fuentes de información para un posterior análisis
acorde al ambiente de aplicación. En este caso contribuye al desarrollo de una
agricultura de precisión, al permitir que el agricultor mejore su producción
tomando decisiones en base a la información adquirida.
El sistema de riego basado en IoT, es diseñado con sensores y actuadores
monitoreados a través de dispositivos móviles y PC’s conectados a Internet,
que permitan la adquisición de datos del estado actual del sistema, el
encendido y apagado de aspersores y bombas, la apertura o cierre de
válvulas.
Por lo tanto, el usuario cuenta con la capacidad de interactuar con el sistema
de riego a través de interfaces gráficas (plataforma web y aplicación para
dispositivos móviles Android), visualizadas en dispositivos móviles o PC’s
respectivamente, con acceso a Internet.
Como objetivo general para el desarrollo de este trabajo se planteó: diseñar y
construir un sistema de riego para cultivos controlado desde internet,
mediante una interfaz para dispositivos móviles y PC.
Los objetivos específicos propuestos son:
• Analizar requerimientos teóricos y técnicos del sistema.
• Instalar y configurar un servidor web que permita monitorear el sistema
de riego en tiempo real.
• Diseñar y construir un prototipo físico con sensores simulados y
actuadores.
4
• Diseñar y desarrollar una aplicación para recepción y emisión de señales
de control.
• Validar el sistema de riego acorde a los requerimientos preestablecidos.
1.1. SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE RIEGO
Una de las opciones que ofrece Novedades Agrícolas S.A permite controlar
los cultivos con el uso de sensores, unidades de control y actuadores,
permitiendo recopilar información para ejercer acciones a través de
aplicaciones web, móviles o SMS. La Figura 1 muestra el dispositivo físico,
flexible ante las necesidades y características que requiere el cliente
(Novedades-Agrícolas, 2016).
Figura 1. Unidad de control para sistema automático de riego
(Novedades-Agrícolas, 2016)
La “Telemonitorización y control de un sistema de riego por goteo mediante
bombeo solar” es una solución que consiste en la recopilación de datos,
procesamiento de estos y toma de decisiones. Los tres procesos son
realizados por parte de un microcontrolador centralizado, al mismo tiempo los
datos de los sensores son enviados a un servidor y almacenados en una base
de datos para su posterior visualización en una interfaz web. Las decisiones
son el resultado de la implementación de un control difuso que controla la
apertura y cierre de válvulas, teniendo como entradas para el controlador los
valores sensados de: humedad de ambiente, humedad del suelo, temperatura
y radiación (López Montes, 2017).
Eletronobo S.L, de igual forma presentan varias soluciones de monitoreo y
gestión de los cultivos. Mediante interconexiones de radiocontrol, establecen
una arquitectura que se basa en unidades remotas encargadas de tomar
5
medidas a través de sus sensores para ser enviados a la unidad
concentradora, se interpreta la información en el centro de control y toma
decisiones que son enviadas a las unidades remotas y al servidor. La
arquitectura de funcionamiento se muestra en la Figura 2 (Electronobo, 2013).
Figura 2. Arquitectura del sistema propuesto por Electronobo.
(Electronobo, 2013)
El diseño e implementación de un “Sistema de riego automatizado y
controlado de forma inalámbrica” en una finca ubicada en la ciudad de
Guayaquil, consta de un microcontrolador principal que realiza las
operaciones de control del sistema. Mediante un módulo GSM envía alertas
de actividad del sistema mediante mensajes de texto a uno o varios usuarios
que lo requieran. Por otro lado, carece de un almacenamiento de información
en una base de datos. La Figura 3 muestra el dispositivo físico (Vásconez
Cuzco & Chamba Tenemaza, 2013).
Figura 3. Sistema central de control de regadío
(Vásconez Cuzco & Chamba Tenemaza, 2013)
El siguiente sistema de riego basado en Internet de las Cosas (IoT)
implementa una red de sensores inalámbricos para la obtención de la
6
información de variables agroclimáticas. Gracias a un sistema de Aprendizaje
de Máquina (Machine Learning) se logra una predicción del calendario de
riego empleando servicios de computación en la Nube. El prototipo se muestra
en la Figura 4, y el “Aprendizaje de Máquina” responde a las preguntas de
cuándo y cuánto regar (Castro Silva, 2016).
Figura 4. Arquitectura del sistema de riego basado en IoT
(Castro Silva, 2016)
1.2. COMUNICACIONES MÓVILES
Es el intercambio de información (voz, datos, video, etc.) se establecen
mediante los sistemas de radiocomunicaciones móviles, se aprovechan de la
cualidad inalámbrica de las comunicaciones radioeléctricas para lograr
enlaces de gran alcance, versátiles y flexibles (Rábanos , 2004).
1.2.1. SISTEMA GLOBAL PARA LAS COMUNICACIONES MÓVILES
(GSM)
El servicio GSM (Global System for Mobile Comunications) se basa en la
transferencia por conmutación de circuitos, siendo adecuado para señales de
voz, pero no una alternativa óptima para el envío de datos inalámbricos, esto
no quiere decir que no realice una transferencia de datos; sus características
como la velocidad de transferencia de 9,6 Kps, tiempo de establecimiento de
conexión y sobre todo el pago por tiempo de conexión, resultan factores
negativos que hacen que la red en su gran mayoría sea dedicada para voz
(Sierra Collado , 2007).
Su arquitectura consta de los siguientes componentes (Figura 5):
• Estaciones móviles MS, son los terminales móviles.
• Estaciones base BTS, establece la conexión bidireccional de señales de radio.
• Controlador de estaciones base BTS, gestiona las estaciones de radio y
conecta con los centros de conmutación y bases de datos.
• Centros de conmutación de servicios móviles MSC, conmuta las llamadas.
• Gateway, SMS-GMSC, enlaza la red móvil con la red telefónica básica.
7
• Bases de datos relacionadas con información adicional.
Figura 5. Arquitectura red GSM
1.2.2. SERVICIO GENERAL DE PAQUETES VÍA RADIO (GPRS)
GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnología que actualiza los
inconvenientes que tiene GSM para la transmisión de datos, la cual introduce
una red de conmutación de paquetes y funciona de forma paralela a la
conmutación de circuitos que usa GSM. Su infraestructura reutiliza parte de
la actual de GSM es por ello que comparten la misma cobertura, realizando
modificaciones mínimas para lograr transmitir datos a mayor velocidad. El
costo de utilización de la red GPRS es en base a la cantidad de datos
transmitida, mas no por el tiempo de conexión, por otro lado, el canal que esté
transmitiendo datos no podrá ser utilizado para una llamada telefónica (Sierra
Collado , 2007).
En la Figura 6 se muestra una arquitectura similar a la que usa la red GSM,
sin embargo, presenta nuevos elementos como lo son:
• Servicing GPRS Support Node, SGSN, realiza funciones para acceder a la red
Celular.
• Gateway GPRS Support Node, GGSN, realiza funciones para acceder a
Internet.
8
Figura 6. Arquitectura red GPRS
1.3. INTERNET DE LAS COSAS
Internet de las cosas (Iot) se refiere a una tecnología basada en la conexión
de objetos cotidianos a Internet que intercambian, agregan y procesan
información sobre su entorno físico para proporcionar servicios de valor
añadido a usuarios finales. También reconoce eventos o cambios, y tales
sistemas pueden reaccionar de forma autónoma y adecuada. Su finalidad es
brindar una infraestructura que supere la barrera entre los objetos en el mundo
físico y su representación en los sistemas de la información (Barrio, 2018).
La información y las personas están cada vez más conectadas a internet, la
tecnología sirve como herramienta de colaboración y toma de decisiones en
un mundo en el que relaciona lo físico con lo digital. Por la nueva necesidad
de estar permanentemente conectado y localizable, está surgiendo una nueva
generación de consumidores que da por hecho contar con conexión wifi y
cualquier avance técnico que permita la movilidad (Bankinter, 2011).
1.4. SERVICIO WEB
Los cambios permanentes que se presentan en la programación para internet
se deben a las necesidades de los usuarios para que sus navegadores web
puedan acceder a los varios servicios que se encuentran disponibles en la
web.
Los Servicios Web consiste en softwares diseñados para soportar una
interacción interoperable máquina a máquina sobre una red. Los Servicios
Web suelen ser APIs Web que pueden ser accedidas dentro de una red
(principalmente Internet) y son ejecutados en el sistema que los aloja (Navarro
Marset, 2006).
Los servicios web se los utiliza para la comunicación entre cliente y servidor
como se ve representado en la Figura 7, basados en estándares y protocolos
abiertos.
9
Figura 7. Función del servicio web. (Terrera, 2017)
1.4.1. METODOS DE PETICIÓN HTTP
Cada uno de los métodos indica las acciones que el usuario puede realizar,
entre los principales tenemos:
• GET: Permite la recuperación u obtención de datos.
• POST: Envía una entidad a un recurso específico.
• PUT: Reemplaza las representaciones actuales de los recursos.
• DELETE: Elimina un recurso específico.
1.4.2. NOTACIÓN DE OBJETO DE JAVASCRIPT (JSON)
Es un tipo de formato ligero para el intercambio de datos. Las personas
pueden interpretar de forma rápida la información que se está intercambiando.
La Figura 8 muestra la forma más sencilla de un empaquetado JSON
Figura 8. Formato de empaquetado JSON.
1.5. EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET)
La evaporación y la transpiración ocurren simultáneamente, sin poder
diferenciar un proceso de otro. En las primeras etapas del cultivo, el agua se
pierde principalmente por evaporación directa del suelo, pero con el desarrollo
del cultivo y finalmente este cubre totalmente el suelo, la transpiración se
convierte en el proceso principal (Allen, 2006).
10
Los factores que afectan a la evapotranspiración son: variables climáticas,
factores de cultivo, manejo y condiciones ambientales (Figura 9).
Figura 9. Factores que afectan la evapotranspiración
(Allen, 2006)
1.5.1. VARIABLES CLIMÁTICAS
Como parámetros principales se tiene la radiación, la temperatura del aire, la
humedad atmosférica y la velocidad del viento. Los procedimientos para
determinar estos parámetros son varios, ya sea instalando sensores en la
zona o recopilando información de páginas climatológicas.
1.5.2. FACTORES DE CULTIVO
Se refiere a características del cultivo como su altura, resistencia a la
transpiración, propiedades radiculares, el reflejo y la cobertura del suelo
intervienen en el cálculo de ET.
1.5.3. MANEJO Y CONDICIONES AMBIENTALES
Dentro del manejo se encuentran las prácticas locales de cultivo, método de
riego, infraestructuras en caso de huertos y la densidad del cultivo. Las
condiciones ambientales principalmente el tipo de suelo, su fertilidad, el
contenido de agua que retiene el suelo hacen que la absorción de agua se
vea afectada por estas.
1.5.4. EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA
Estudia la demanda de evapotranspiración de la atmósfera,
independientemente del tipo y desarrollo del cultivo, y de las prácticas de
manejo. Para su cálculo en periodos horarios o más cortos se requiere la
fórmula de Pennman-Monteith con ciertas modificaciones:
𝐸𝑇𝑜 =0.408 ∗ 𝛥(𝑅𝑛 − 𝐺) + [𝛾
37𝑇ℎ𝑟 + 273 ∗ 𝑈2 ∗ (𝑒°(𝑇ℎ𝑟) − 𝑒𝑎)]
𝛥 + [𝛾 ∗ (1 + 0.34 ∗ 𝑈2)]
[1]
11
Donde:
𝐸𝑇𝑜: Evapotranspiración de referencia. (mm/hora)
𝛥: Pendiente de la curva de presión de vapor. (KPa/°C)
𝑅𝑛: Radiación neta en la superficie de cultivo. (MJ/m2hora)
𝛾: Constante psicométrica. (KPa/°C)
𝑇ℎ𝑟: Temperatura media del aire cada hora. (°C)
𝑈2: Velocidad del viento medido a 2 metros de altura. (m/s)
𝑒𝑎: Presión real de vapor. (KPa)
𝑒°(𝑇ℎ𝑟): Presión de saturación de vapor a temperatura del aire 𝑇ℎ𝑟. (KPa)
1.5.5. PENDIENTE DE LA CURVA DE PRESIÓN DE SATURACIÓN DE
VAPOR
En la Figura 10 se indica la presión de saturación de vapor en función de la
temperatura.
Figura 10. Presión de saturación de vapor en función de la temperatura
(Allen, 2006)
Se calcula la pendiente de la curva para una determinada temperatura con la
siguiente fórmula:
𝛥 =4098 ∗ [0.6108 ∗ exp(
17.27 ∗ 𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟 + 237.3)]
(𝑇ℎ𝑟 + 237.3)2
[2]
Donde:
𝛥: Pendiente de la curva de la presión de saturación de vapor a la
temperatura del aire 𝑇. (KPa/°C)
𝑇ℎ𝑟: Temperatura del aire cada hora. (°C)
𝑒𝑥𝑝: 2.7183 (base del logaritmo natural)
1.5.6. FLUJO DEL CALOR DEL SUELO
“La capacidad calorífica (𝐺) del suelo se relaciona con su contenido mineral
y su contenido de agua” (Allen, 2006). El valor horario de 𝐺 se puede
aproximar durante periodos de luz por:
12
𝐺 = 0.1 ∗ 𝑅𝑛 [3]
Y durante periodos nocturnos:
𝐺 = 0.5 ∗ 𝑅𝑛 [4]
Donde:
𝑅𝑛: Radiación neta. (MJ/m2hora)
1.5.7. RADIACIÓN NETA SOLAR O DE ONDA CORTA
Es el resultado entre la radiación solar entrante y la reflejada y está dada por:
𝑅𝑛𝑠 = (1 − 𝛼)𝑅𝑠 [5]
Donde:
𝑅𝑛𝑠: Radiación neta solar o de onda corta. (MJ/m2hora)
𝛼: Albedo o coeficiente de reflexión del cultivo, que es 0.23 para el cultivo
hipotético de referencia. (adimensional)
𝑅𝑠: Radiación solar entrante. (MJ/m2hora)
1.5.8. RADIACIÓN SOLAR EN UN DÍA DESPEJADO
Se necesita este cálculo para obtener el valor de la radiación neta de onda
larga, siendo una buena aproximación de 𝑅𝑠𝑜 para periodos diarios y horarios
está dada por:
𝑅𝑠𝑜 = (0.75 + 2 ∗ 10−5 ∗ 𝑧)𝑅𝑎 [6]
Donde:
𝑧: Elevación de la estación. (m)
𝑅𝑎: Radiación extraterrestre. (MJ/m2hora)
La ecuación es válida para elevaciones menores de 6000 m con baja turbidez
atmosférica.
La radiación extraterrestre 𝑅𝑎 es la radiación que choca a una superficie
perpendicular a los rayos del sol en el extremo superior de la atmósfera
terrestre, se llama constante solar, sus valores se encuentran en el Anexo 1.
(Allen, 2006)
1.5.9. RADIACIÓN NETA DE ONDA LARGA
La tierra que tiene una temperatura mucho más baja que la del sol, emite
energía radiante con longitudes de onda más larga. La radiación de onda larga
emitida por el planeta es absorbida por la atmósfera o perdida hacia el
espacio. La radiación de onda larga recibida por la atmósfera aumenta su
temperatura. Por consiguiente, la atmósfera también irradia energía, teniendo
13
como resultado una radiación de onda larga entrante y saliente. La radiación
neta de onda larga se describe como la diferencia entre la radiación de onda
larga entrante y saliente, representando una pérdida de energía. (Howell,
Evett, Schneider, Todd, & Tolk, 1998)
𝑅𝑛𝑙 = 𝜎[(𝑇ℎ𝑟 , °𝐾)4](0.34 − 0.14√𝑒𝑎)(1.35
𝑅𝑠𝑅𝑠𝑜
− 0.35) [7]
Donde:
𝑅𝑛𝑙: Radiación neta de onda larga. (MJ/m2hora)
𝜎: Constante de Stefan-Boltzmann. (2.043*10-10 MJ/°K4m2hora)
𝑇ℎ𝑟 , °𝐾: Temperatura medida durante un período de 1 hora.
𝑒𝑎: Promedio horario de la presión real de vapor. (KPa)
𝑅𝑠/𝑅𝑠𝑜: Radiación relativa de onda corta. (valores ≤ 1)
𝑅𝑠: Radiación solar medida. (MJ/m2hora)
𝑅𝑠𝑜: Radiación en un día despejado. (MJ/m2hora)
1.5.10. RADIACIÓN NETA
Es la diferencia entre la radiación neta de onda larga (𝑅𝑛𝑠) y la radiación neta
de onda larga (𝑅𝑛𝑙):
𝑅𝑛 = 𝑅𝑛𝑠 − 𝑅𝑛𝑙 [8]
1.5.11. PRESIÓN DE SATURACIÓN DE VAPOR A TEMPERATURA
DEL AIRE
Representa el equilibrio de presión de un líquido o vapor a cierta temperatura
[°C], en este caso se utiliza la temperatura medida y es calculada mediante la
siguiente fórmula:
𝑒°(𝑇ℎ𝑟) = 0.6108 ∗ exp[17.27 ∗ 𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟 + 237.3
] [9]
Donde:
𝑇ℎ𝑟: Temperatura medida durante un período de 1 hora.
exp: 2.7183 base logaritmo natural elevado a la potencia.
1.5.12. PRESIÓN REAL DE VAPOR
Es la presión de saturación de vapor a la temperatura medida y con datos de
humedad relativa.
𝑒𝑎 = 𝑒°(𝑇ℎ𝑟)𝐻𝑅ℎ𝑟100
[10]
Donde:
𝑇ℎ𝑟: Temperatura medida durante un período de 1 hora.
1.6. EVAPOTRANSPIRACIÓN DEL CULTIVO
14
El valor de evapotranspiración de un respectivo cultivo se lo determina a
partir de la siguiente fórmula:
𝐸𝑇𝐶 = 𝐸𝑇𝑜 ∗ 𝑘𝑐 [11]
Donde:
𝐸𝑇𝐶: Evapotranspiración del cultivo. (mm/hora)
𝐸𝑇𝑜: Evapotranspiración de referencia. (mm/hora)
𝑘𝑐: Factor de cultivo que depende de las características del cultivo, clima y
prácticas culturales. Para el cacao se ha determinado un factor de 1.10.
(Reyes & de Reyes, 2000)
1.7. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO ÚTIL
Es la cantidad de agua que se debe reponer para mantener una humedad
óptima.
(𝐿𝑟)𝑛 = (𝑊𝑐𝑐 −𝑊𝑝𝑚𝑝)/100 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑍′𝑟 ∗ 𝐶𝑎 [12]
Donde:
𝑊𝑐𝑐: Contenido de humedad en el suelo (valor sensado % de humedad).
𝑊𝑝𝑚𝑝: Contenido de humedad en el suelo al punto de marchitez permanente
(%).
𝐷𝑎: Densidad aparente del suelo (adimensional, por estar dividida entre la
densidad del agua).
𝑍′𝑟: Profundidad radical equivalente (mm).
𝐶𝑎: Coeficiente de agotamiento del agua aprovechable en el suelo (0.5).
2. METODOLOGÍA
15
El sistema fue desarrollado con base en la metodología del modelo en V para
sistemas mecatrónicos (Verein Deutscher Ingenieure, 2004), que comprende
de 6 etapas para obtener el producto final (Figura 12).
Figura 11. Modelo en V (Verein Deutscher Ingenieure, 2004)
Los requerimientos se los estableció para un cultivo de cacao en la ciudad de
Babahoyo. Los parámetros necesarios para el cacao fueron sugeridos por un
agrónomo.
Después de la solución presentada ante la problemática y que además cumpla
con el objetivo planteado, se procede al diseño del sistema que consta de un
dispositivo encargado de enviar los valores sensados a un servidor; en el
servidor se desarrolló una aplicación que permita captar, almacenar y
procesar dichos valores para el accionamiento de los actuadores.
Una vez integrado los subsistemas, un prototipo nos permite la validación
respecto al accionamiento de los actuadores.
2.1. REQUERIMIENTOS
Como requerimiento principal está el simular el entorno, debido a que no se
cuenta con un cultivo real donde se pueda implementar el sistema. Para el
entorno simulado se estableció el tipo de sembrío, en este caso el cacao en
la ciudad de Babahoyo porque es donde va a ser instalado en primera
instancia.
Una base de datos para almacenar la información recopilada, con sus
respectivas relaciones para una interacción más dinámica con la misma.
1
2
3
4
5
6
16
La configuración del servidor debe permitir conectarse con la base de datos y
con la tarjeta de control. Dentro del servidor es donde se ejecuta la lógica de
control y la toma de decisiones. La conexión entre el servidor y la tarjeta de
control debe ser inalámbrica para un monitoreo remoto.
Una interfaz web para que el usuario mediante un navegador de internet
pueda acceder a la página web desde una PC o un dispositivo móvil.
La interfaz debe brindar la visualización del estado del sistema de riego, los
valores en tiempo real de cada uno de los sensores, así como también la
posibilidad de cambiar el modo de activación de los actuadores, ya sea de
forma automática o manual.
2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA
El sistema se basa en la tecnología de IoT (Internet of things), es por ello que
cuenta con un servicio en la nube, configurado para realizar los cálculos de
evapotranspiración, aplicar la lógica de riego y finalmente tomar decisiones de
accionamiento sobre los actuadores.
El desarrollo de una interfaz web permite que el usuario pueda interactuar con
el sistema, a través de cualquier dispositivo móvil mediante un navegador.
Para la comunicación inalámbrica con el servidor se requiere del uso de las
redes de telecomunicación de las operadoras de celular.
Figura 12. Diagrama de casos de uso del sistema
La Figura 12 indica las funciones que puede realizar el usuario en el sistema;
el usuario es quien debe ingresar sus datos para ser identificado y tener
acceso a las funciones.
17
2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA
2.3.1. DISEÑO DEL ENTORNO SIMULADO
Se propuso generar valores aleatorios que representen los valores de los
sensores; dichos valores se encuentran dentro de un rango adecuado para el
tipo de cultivo y el lugar de estudio.
Los datos que se requiere simular son los siguientes: radiación solar,
velocidad de viento y humedad de suelo. La humedad relativa y
precipitaciones se extraen en tiempo real de un aplicativo web climático.
2.3.1.1. HEMUDAD RELATIVA Y PRECIPITACIONES
Por medio del uso de un servicio API que ofrece la página web “Meteored”,
permite tener acceso a los datos de humedad relativa y precipitaciones para
la ciudad de Babahoyo, en tiempo real.
La ruta proporcionada envía un fichero en formato JSON con predicciones a
5 días e información detallada por horas.
Figura 13. Código para el uso de API “Meteored”
La Figura 13 indica la ruta de acceso a la información climática de la página
web que se ha optado por utilizar.
2.3.1.2. RADIACIÓN SOLAR
Los valores aleatorios para la radiación solar en la ciudad de Babahoyo se los
estableció con base en un atlas solar del Ecuador (Figura 14). La radiación es
expresada en Wh/m2, para efectos de cálculo se requiere MJ/m2, teniendo
como factor de conversión la Ecuación [13] (Consejo Nacional de Electricidad,
2008).
1𝑀𝐽/𝑚2 = 0.2778𝑊ℎ/𝑚2 [13]
Los valores varían entre 15.38 y 15.83 MJ/m2día.
18
Figura 14. Insolación global promedio (Consejo Nacional de Electricidad, 2008)
2.3.1.3. VELOCIDAD DE VIENTO
Para realizar los cálculos es necesario que el valor de la velocidad de viento
sea registrado a una altura de 2m sobre el suelo; se estableció un rango de 1
a 5 m/s, tomando en cuenta que el propio cultivo frena las corrientes de viento.
2.3.1.4. HUMEDAD DEL SUELO
Deben existir 3 sensores de humedad instalados a 3 diferentes profundidades,
porque el consumo de agua es diferente a distintas profundidades respecto a
la raíz del cacao. Para la parte superficial se registra un consumo de agua de
un 60%, a una altura media la planta consume el 30% de agua, llegando a la
profundidad radical absoluta de la planta la raíz absorbe un 10% de agua
(Figura 16).
Tabla 1. Valores mínimos y máximos de humedad en el suelo para cada nivel de profundidad
NIVEL DE SENSOR VALOR MIN (%) VALOR MAX (%)
Superficial 10 40
Profundidad Media 10 30
Profundidad total 10 20
19
Figura 15. Sensores de humedad a diferentes profundidades y consumo respectivo de agua.
La humedad existente en el suelo se la calcula mediante la siguiente ecuación:
ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑𝑑𝑒𝑙𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜
= (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑1) ∗ (0.6) + (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑2) ∗ (0.3) + (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑3)
∗ (0.1)
[14]
2.3.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO FÍSICO
El prototipo físico consta de una bomba de agua, una electroválvula, un
microcontrolador (Arduino DUE), tarjeta SIM800 para Arduino, 2 relés para el
accionamiento de los actuadores y la fuente de alimentación 12V a 2A (Figura
16).
20
Figura 16. Esquema físico.
Se construyó una maqueta representativa a un regadío, con tubería recubierta
de teflón en las uniones ante posibles fugas de agua; la bomba de agua y la
electroválvula son accionadas mediante el relé y posteriormente el
funcionamiento del aspersor.
Se instaló un pequeño tablero de control igualmente representativo, fijando un
riel din con borneras para la distribución de energía, tanto 110VAC como 12
VDC. La fuente de alimentación proporciona la alimentación de la tarjeta
SIM800, el Arduino DUE y la electroválvula.
2.3.3. DISEÑO ELÉCTRICO Y DE CONTROL DEL PROTOTIPO
La placa SIM 800 admite una entrada de voltaje de 5-26 VDC, el datasheet en
el Anexo 4 de la placa, indica que no se debe proporcionar una corriente
menor de 2A cuando la tensión es de 5-9 VDC. La fuente con una salida de 12
VDC a 2A, abastece el consumo eléctrico de forma satisfactoria a las placas
de control (Arduino y SIM 800) y la electroválvula (Figura 17).
Aspersor
Bomba
Electroválvula
Fuente de Alimentación
Módulo Rele
Arduino/SIM800
21
Figura 17. Diagrama de Conexiones
El módulo de 2 relés de estado sólido es alimentado por la placa Arduino, la
activación de cada relé responde ante la señal digital de la tarjeta de control.
La bomba se alimenta a 110 VAC, y es accionada por uno de los relés de
estado sólido.
Las librerías permiten una rápida configuración de la placa Arduino y la
SIM800 para el envío de los datos al servidor. La librería “ArduinoJson”
permite que los datos sean empaquetados en formato JSON, ya que el
servidor admite este formato como se indica en la Figura 18.
La Figura 19 muestra la codificación para empaquetar los datos.
Figura 18. Librerías de conexión, configuración y empaquetado de datos.
Figura 19. Función de empaquetado de datos en formato JSON.
22
La librería “TinyGsmClient” permite establecer la ruta del servicio API
levantado en el servidor como se muestra en la Figura 20, seguido del tipo de
formato en el que se envían los datos y finalmente esperar una respuesta por
parte del servidor.
Figura 20. Función para el envío de datos
La Figura 21 muestra las actividades que ejecuta la tarjeta Arduino.
Interactuando con el servidor, finalmente permite la activación o desactivación
de los actuadores en el prototipo físico.
Figura 21. Diagrama de actividades de la tarjeta Arduino.
23
2.3.4. DISEÑO DE LA BASE DE DATOS
Para poder trabajar de forma más dinámica con los datos, se establecieron
las diferentes relaciones que deben existir entre las tablas, cada una de las
relaciones son creadas con base en una lógica de funcionamiento (Figura 22).
La base de datos puede llevar registros de varios cultivos; las provincias
representan distintas ubicaciones para ser monitoreadas. Para cada provincia
tiene una extensión de terreno cultivado donde existe un sistema centralizado
de abastecimiento de agua (bombas de agua), el terreno es lotizado por
sectores para una mejor distribución de este, cada sector cuenta con cierto
número de electroválvulas. Estas interrelaciones planteadas permiten la
interacción más flexible con respecto a la provincia y sector al que se necesite
realizar algún tipo de consulta, tanto desde el servidor como desde la placa
Arduino.
Figura 22. Modelo de relaciones entre tablas para la base de datos.
2.3.5. DISEÑO DEL APLICATIVO WEB
Para la configuración de la nube se levantó un servicio LAMP, es decir: Linux,
Apache, MySql y PhP. La utilización de “SlimFramewor” permitió de manera
sencilla la implementación de un servicio API, para decodificar el
empaquetado JSON de los datos. Dentro de la API se codifican los métodos
de petición POST y GET (Figura 24).
24
Figura 23. Servicio API de recepción de datos (POST).
Dentro del servicio API se ingresan las ecuaciones descritas en el capítulo 2
y en el orden redactado, para obtener valores que representan la
evapotranspiración del cultivo y el contenido de agua en el suelo. La
implementación de la lógica consiste en mantener un equilibrio del recurso
hídrico, evitando el estrés de la planta.
Se tomó en cuenta las precipitaciones existentes en la zona, ya que para
lograr el equilibrio hídrico es indispensable considerar este factor. La lógica se
muestra en la siguiente expresión.
(𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 − 𝐸𝑇𝐶) ∗ (−1) > 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 + (𝐿𝑟)𝑛 [15]
Donde:
𝐸𝑇𝐶 : Evapotranspiración del cultivo (mm/hora).
(𝐿𝑟)𝑛 : Lámina neta a reponer en cada riego (mm/hora).
De ser verdadera la expresión se deduce que existe un déficit de agua para
el cultivo, y necesita ser regado.
Las ventanas de visualización son estructuradas en HTML5, y su apariencia
estética es mejorada con CSS. Consta de una ventana de inicio para que el
usuario, 2 ventanas de ingreso y registro de usuarios, 1 ventana de contacto.
Al ingresar con el usuario y contraseña se puede navegar dentro de 3
ventanas más: la primera ventana muestra registros de valores de los
sensores, la segunda de manera más intuitiva con el usuario muestra gráficas
para una mejor apreciación de las variaciones que presentan las mediciones,
la última ventana permite al usuario modificar el modo de activación de los
actuadores (manual o automático).
25
Figura 24. Diagrama de actividades del servicio API.
La Figura 24 indica cada una de las actividades que cumple el servicio API,
siendo como objetivo final la activación y desactivación de los actuadores
tanto para el modo manual como para el automático.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
26
De forma conjunta, tanto el hardware como el software (Figura 25), funcionan
de manera correcta; las tarjetas de control (Arduino y SIM800) reciben y
envían satisfactoriamente los datos desde y hacia el servidor,
respectivamente; el servidor decodifica y procesa los datos captados sin
presentar inconvenientes. La base de datos almacena los valores sensados y
actualiza el estado del sistema (automático o manual) y estado de actuadores
(activados o desactivados).
Figura 25. Esquema general de funcionamiento
Una vez completado el diseño del sistema, se procedió al montaje de la página
web con sus respectivas ventanas, con la distribución establecida. Para el
inicio se codificó una ventana con información sobre el proyecto (Figura 26).
La pestaña superior de navegación es similar para el resto de las ventanas
(Figura 27).
Figura 26. Ventana de inicio de página web.
27
Figura 27. Ventana de gráficas de los sensores.
Dentro del marco de funcionamiento del sistema, se requiere analizar los
momentos de activación de este, porque son los eventos críticos en los cuales
el cultivo sufre un déficit del recurso hídrico. Los rangos registrados para cada
uno de los sensores permiten la activación de los actuadores, es decir, se
produce el riego en el cultivo.
3.1. PRUEBAS DE CONEXIÓN
Al enviar los datos desde la placa Arduino tenemos como respuesta “sensor
agregado” por parte del servidor, es decir, que los datos han sido recibidos y
almacenados en la base de datos de manera satisfactoria.
Figura 28. Respuestas por parte del servidor
Mediante la comunicación serial entre la placa Arduino DUE y la PC, se logró
constatar las respuestas por parte del servidor. El código de estado “200”
(Figura 28), es una respuesta del servidor http ante una petición estándar
correcta.
28
3.1.1. TIEMPO DE RETRASO
De manera experimental los intervalos de tiempo se establecieron cada 15
minutos, para registrar los valores de cada uno de los sensores simulados.
Por otra parte, se registraron los tiempos de respuesta del servidor ante las
peticiones del sistema.
Figura 29. Velocidad de respuesta por parte del servidor.
Al servidor se realizan 2 tipos de peticiones: POST y GET, que nos permiten
insertar datos y obtener datos, respectivamente. Se nota que al insertar datos
el tiempo de respuesta por parte del servidor es mayor en comparación
cuando se requiere obtenerlos, porque seguido de la petición POST, el
servidor realiza los cálculos respectivos, los valores son ingresados a la base
de datos y finalmente se obtiene la respuesta del servidor. Por otro lado, la
petición GET obtiene directamente los valores de la base de datos, y los envía
como respuesta (Figura 29).
Los valores promedios de los métodos POST y GET son: 651.03 ms y 99.64
ms respectivamente; el tiempo de respuesta por parte de los dos métodos no
afectan al correcto funcionamiento del sistema, porque dichos tiempos son
relativamente rápidos para la velocidad de respuesta que requiere el sistema.
3.2. ACTIVACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO
Como se muestra en la Figura 28, el primer objeto de respuesta se obtiene
mediante una petición tipo GET y hace referencia al modo de activación, que
en este caso es igual a 0 (modo automático), el segundo objeto de respuesta
muestra que el sensor ha sido agregado correctamente con el método POST,
e indica la activación de los actuadores (1=encender, 0=apagar).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Tiem
po
de
resp
ues
ta (
ms)
Instante de muestreo K
POST
GET
29
Se registraron 328 muestras con intervalos de 15 minutos, de los cuales 95
muestras permiten que el sistema realice el riego. El análisis se enfoca en los
instantes de riego que activan el sistema porque son los momentos en que el
cultivo presenta el déficit de agua, siendo el punto de interés. Las gráficas
siguientes, muestran los rangos de variación de los sensores para que el
sistema sea activado.
Figura 30. Variaciones de humedad para activar el sistema.
Con base en las variaciones de humedad que se ven reflejadas en la Figura
30, notamos que el sistema requiere ser activado para valores inferiores a
21.146% de humedad en el suelo. Este valor es calculado con la Ecuación
[14].
Figura 31. Variaciones de temperatura para activar el sistema
En el capítulo anterior se estableció el rango de simulación para los valores
de temperatura. Se analiza que incluso ante valores bajos de temperatura la
21,146
12,052
0
5
10
15
20
25
1 5 9
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
53
57
61
65
69
73
77
81
85
89
93
Hu
med
ad (
%)
Instante de muestreo K
Humedaddel Suelo(%)Humedadmax
Humedadmin
29,97 29,97
17,03
0
5
10
15
20
25
30
35
1 5 9
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
53
57
61
65
69
73
77
81
85
89
93
Tem
per
atu
ra C
°
Instante de muestreo K
Temperatura(C°)
Temperaturamax
Temperaturamin
30
planta requiere ser regada, abarcando todo el rango de temperatura
establecido (Figura 31).
Figura 32. Variaciones de velocidad de viento para activar el sistema
La velocidad de viento adquiere el mismo comportamiento que la temperatura,
reflejando valores a lo largo del rango establecido en el capítulo anterior
(Figura 32).
Figura 33. Cantidad de agua para las variables de precipitación, evapotranspiración y lámina neta para reponer para activar el sistema.
La cantidad de agua se mide por la altura de la lámina de agua recogida en
una superficie plana, expresada en mm o L/m2 (1 milímetro de agua de lluvia
equivale a 1 L de agua por m²). (Allen, 2006)
En la Figura 33 se puede determinar la relación que existe entre las principales
variables que intervienen en la Ecuación [15]. La cantidad de lluvias que se
presenta es escasa, teniendo como máximo un valor 4,5 mm, produciendo un
déficit de agua en el cultivo. La capacidad de almacenamiento útil en el suelo
4,95
1
0
1
2
3
4
5
6
1 5 9
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
53
57
61
65
69
73
77
81
85
89
93
Vel
oci
dad
(m
/s)
Instantes de muestreo K
VelocidadViento (m/s)
Velocidad deViento max
Velocidad deViento min
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93
Can
tid
ad d
e ag
ua
(mm
)
Instantes de muestreo K
Precipitacion (mm)
Evapotranspiracion(mm)
Capacidad dealmacenamiento útil(mm)
31
presenta valores negativos porque la humedad en el suelo es menor al
contenido de humedad en el suelo al punto de marchitez. La
evapotranspiración depende de las variables meteorológicas y consumo de la
planta, teniendo valores relativamente por encima de las precipitaciones. Se
observa como la evapotranspiración aumenta a medida que incrementa la
precipitación, ya que al existir un mínimo aumento en la cantidad de agua, la
planta tiene más agua para consumir.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
32
CONCLUSIONES
• El uso de “SlimFramework” para la implementación de la API en el servidor,
agilita la codificación necesaria para que el sistema, porque nos
proporciona una estructura completa, donde nosotros podemos encajar
nuestra lógica.
• El diseño de la base de datos es adaptable ante un sistema particular de
registro de: provincias, sectores, bombas y electroválvulas; gráficamente
en el aplicativo web, no existe inconvenientes ante la cantidad de cultivos
que requiere un estudio o en el número de electroválvulas que se desee
controlar.
• El cálculo de evapotranspiración incluye factores climáticos, permitiendo
un análisis más exacto del estado del cultivo. Cada cultivo tiene constantes
que se toman en cuenta para este tipo de cálculo, por lo que el sistema se
acopla a los requerimientos de cualquier cultivo.
• Por las pruebas realizadas con los datos que genera el entorno simulado,
se determinó que el sistema puede ser incorporado a cualquier ambiente
y cultivo que se desee controlar mediante sensores físicos que remplacen
los valores randómicos.
• La interfaz gráfica dentro del aplicativo web se lo diseñó de manera que el
usuario pueda tener acceso a los datos de cada uno de los sensores,
interpretar de manera gráfica las fluctuaciones que presentan y finalmente
una manipulación directa con los actuadores que están instalados.
RECOMENDACIONES
• Previo a la instalación del sistema, establecer el cultivo en específico, ya
que los parámetros de cada sembrío son diferentes.
• El trabajar con un mayor número de sensores de humedad en el suelo,
expresan con mayor exactitud los valores del contenido de humedad en el
suelo.
• Mantener un constante monitoreo de consumo de datos en el chip de la
operadora telefónica, a pesar de su bajo consumo.
• Se puede complementar con sistemas de registro de nuevos cultivos,
incorporar visión artificial para el estudio de la pigmentación de los cultivos.
33
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ANEXOS
35
ANEXO 1
RADIACIÓN EXTRATERRESTRE
Radiación extraterrestre diaria para diferentes latitudes para el 15vo del mes.
Figura 34. Valores para Radiación Extraterrestre 𝑅𝑎 (valores en MJ/m2día)
ANEXO 2
VELOCIDAD DE CONEXIÓN
La velocidad de conexión es medida en milisegundos
Tabla 2. Velocidad de respuesta ante una petición POST y GET
Velocidad de respuesta ante peticiones (ms)
N° POST GET
1 520,5 84,7
2 516,3 82,5
3 714,6 87,4
4 591,5 83,1
5 557,4 87,4
6 770,7 90,1
7 720,9 82,6
8 686,8 82,4
9 623,5 84,7
10 505,5 183,2
11 717,2 86,3
12 709,5 113,2
13 500,3 86,6
14 492,3 82,2
15 687 97,6
36
16 504,5 95,2
17 528,1 88,3
18 681,9 81,5
19 645,8 102,6
20 476,6 94,9
21 1236,7 94,4
22 511,6 81,3
23 481,3 84,3
24 573,1 93,1
25 698,2 110,6
26 489,7 114,7
27 595,8 268,3
28 772,9 89,2
29 1364,4 93
30 656,3 83,9
ANEXO 3
VALORES DE LOS SENSORES PARA LA ACTIVACIÓN DEL
SISTEMA
Los valores de la tabla son únicamente para activar el sistema
37
Tabla 3. Valores de sensores para activación de sistema
N° Fecha Humedad 1 (%) Humedad
2 (%) Humedad
3 (%)
Humedad del Suelo
(%) Temperatura
(C°)
Velocidad Viento (m/s)
Diámetro de Tallo
(mm)
Radiación Solar
(MJ/m^2hora)
Humedad Relativa
(%) Precipitación
(mm) Estado Sistema
Evapotranspiración (mm)
Capacidad de almacenamiento
útil (mm)
1 2019-01-13 22:07:53 14,23 24,02 17,04 17,448 19,36 2,5 38,35 15,53 87 0 1 1,33696 -3,0624
2 2019-01-13 22:08:38 24,19 15,75 16,88 20,927 29,97 1,2 38,78 15,44 87 0 1 1,79754 1,1124
3 2019-01-13 22:09:55 11,42 15,96 12,08 12,848 26,71 4,68 38,76 15,65 87 0 1 1,40517 -8,5824
4 2019-01-13 22:10:16 18,53 22,39 14,49 19,284 22,84 4,11 38,74 15,54 87 0 1 1,30865 -0,8592
5 2019-01-13 22:10:38 19,54 21,39 19,83 20,124 20,83 1,84 38,15 15,74 87 0 1 1,48019 0,1488
6 2019-01-13 22:10:50 10,88 25,34 16,51 15,781 28,22 3,13 38,89 15,53 87 0 1 1,5685 -5,0628
7 2019-01-13 22:11:13 18,88 14,22 12,79 16,873 23,82 4,4 38,66 15,49 87 0 1 1,31508 -3,7524
8 2019-01-13 22:11:36 18,99 21,85 12,71 19,22 22,17 4,92 38,32 15,66 87 0 1 1,23217 -0,936
9 2019-01-13 22:11:47 21,31 22,45 11,84 20,705 23,86 3,35 38,02 15,47 87 0 1 1,40219 0,846
10 2019-01-13 22:11:59 18,5 25,77 11,87 20,018 20,95 3,92 38,78 15,8 87 0 1 1,27939 0,0216
11 2019-01-13 22:12:10 12,87 16,19 15,15 14,094 23,87 1,57 38,53 15,66 87 0 1 1,60393 -7,0872
12 2019-01-13 22:12:45 14,83 21,44 15,91 16,921 23 2,42 38,53 15,58 87 0 1 1,47333 -3,6948
13 2019-01-13 22:12:57 19,02 11,89 11,45 16,124 21,19 3,9 38,44 15,72 87 0 1 1,28327 -4,6512
14 2019-01-13 22:13:08 23,42 17,6 16,97 21,029 28 2,77 38,25 15,51 87 0 1 1,59202 1,2348
15 2019-01-13 22:13:43 13,26 28,45 12,82 17,773 21,34 1,66 38,36 15,63 87 0 1 1,50861 -2,6724
16 2019-01-13 22:14:05 18,79 11,82 17,07 16,527 23,39 2,56 38,23 15,56 87 0 1 1,46997 -4,1676
17 2019-01-13 22:14:18 13,35 20,97 17,53 16,054 28,08 3,69 38,34 15,53 87 0 1 1,51664 -4,7352
18 2019-01-13 22:14:30 11,2 19,06 12,14 13,652 19,8 3,7 38,79 15,7 87 0 1 1,25011 -7,6176
19 2019-01-13 22:14:53 18,75 27,23 10,57 20,476 18,11 3,18 38,61 15,75 87 0 1 1,24181 0,5712
20 2019-01-13 22:15:28 22,78 13,11 10,09 18,61 25,13 3,37 38,17 15,81 87 0 1 1,4733 -1,668
21 2019-01-13 22:16:04 19,7 26,45 13,91 21,146 26,9 2,74 38,64 15,65 87 0 1 1,57439 1,3752
22 2019-01-13 22:17:06 15,47 11,69 19,76 14,765 28,52 1,33 38,04 15,51 87 0 1 1,75255 -6,282
23 2019-01-13 22:17:54 20,48 20,38 19,06 20,308 26,13 3,92 38,91 15,67 87 0 1 1,44687 0,3696
24 2019-01-13 22:18:28 14,24 25,47 14,83 17,668 21,18 1,47 38,9 15,61 87 0 1 1,52489 -2,7984
25 2019-01-13 22:18:39 15,64 28,95 15,41 19,61 18,77 2,17 38,32 15,53 87 0 1 1,35262 -0,468
26 2019-01-13 22:19:14 12,8 15,8 13,68 13,788 26,58 3,7 38,96 15,64 87 0 1 1,47736 -7,4544
27 2019-01-13 22:19:25 19,43 22,66 18,38 20,294 20,73 4,31 38,52 15,57 87 0 1 1,22178 0,3528
28 2019-01-13 22:20:35 15,65 12,87 12,99 14,55 28,24 4,16 38,49 15,63 87 0 1 1,49365 -6,54
29 2019-01-13 22:20:46 14,53 25,23 18,58 18,145 21,53 3,02 38,55 15,72 87 0 1 1,37535 -2,226
30 2019-01-13 22:20:58 11,06 22,87 13,57 14,854 17,03 3,82 38,84 15,5 87 0 1 1,12725 -6,1752
31 2019-01-13 22:21:21 10,97 28,75 12,41 16,448 24,18 2,8 38,76 15,73 87 0 1 1,48786 -4,2624
32 2019-01-13 22:21:32 16,33 23,54 11,94 18,054 17,55 2,7 38,92 15,55 87 0 1 1,25425 -2,3352
33 2019-01-13 22:22:18 19,24 13,84 11,06 16,802 20,79 4,73 38,07 15,39 87 0 1 1,1782 -3,8376
34 2019-01-13 22:22:41 15,17 22,92 18,98 17,876 20,48 1,57 38,53 15,38 87 0 1 1,46769 -2,5488
35 2019-01-13 22:23:28 20,86 20,35 10,16 19,637 18,45 4,65 38,27 15,54 87 0 1 1,11355 -0,4356
36 2019-01-13 22:23:40 11,34 16 15,79 13,183 23,02 4,59 38,51 15,78 87 0 1 1,29604 -8,1804
37 2019-01-13 22:24:36 19,78 15,47 13,46 17,855 24,35 1,64 38,47 15,5 87 0 1 1,59456 -2,574
38
38 2019-01-13 22:24:48 11,09 18,95 12,27 13,566 18,02 3,21 38,13 15,78 87 0 1 1,238 -7,7208
39 2019-01-13 22:25:36 20,8 17,51 19,32 19,665 21,73 2,39 38,19 15,63 87 0 1 1,43856 -0,402
40 2019-01-13 22:26:23 11,34 22,35 10,85 14,594 29,77 1,3 38,81 15,72 87 0 1 1,81342 -6,4872
41 2019-01-13 22:26:35 18,23 20,92 13,62 18,576 27,83 4,38 38,88 15,41 87 0 1 1,44343 -1,7088
42 2019-01-13 22:26:58 23,87 13,58 16,94 20,09 27,63 2,92 38,09 15,53 87 0 1 1,56882 0,108
43 2019-01-13 22:27:57 20,31 21,98 12,93 20,073 17,79 3,9 38,92 15,54 87 0 1 1,15007 0,0876
44 2019-01-13 22:28:21 18,77 10,58 12,41 15,677 26,71 4,1 38,92 15,43 87 0 1 1,43014 -5,1876
45 2019-01-13 22:29:07 12,55 14,02 16,93 13,429 24,08 3,65 38,01 15,69 87 0 1 1,40236 -7,8852
46 2019-01-13 22:30:04 11,89 16,11 16,43 13,61 24,63 3,07 38,57 15,53 87 0 1 1,45865 -7,668
47 2019-01-13 22:30:15 20,4 24,17 13,9 20,881 29,72 2,44 38,75 15,79 87 0 1 1,70366 1,0572
48 2019-01-13 22:30:26 11,16 23,1 14,31 15,057 22,49 4,01 38 15,53 87 0 1 1,304 -5,9316
49 2019-01-13 22:30:38 15,61 12,01 11,6 14,129 26,47 3,01 38,11 15,64 87 0 1 1,53444 -7,0452
50 2019-01-13 22:30:50 14,42 25,52 16,42 17,95 20,16 4,2 38,64 15,44 87 0 1 1,20094 -2,46
51 2019-01-13 22:31:02 17,81 13,05 12,94 15,895 17,44 4,51 38,87 15,79 87 0 1 1,10568 -4,926
52 2019-01-13 23:08:59 11,08 13,93 13,3 12,157 22,66 2,69 38,32 15,75 91 0,4 1 1,44131 -9,4116
53 2019-01-13 23:39:18 21,64 11,69 15,51 18,042 21,27 2,9 38,24 15,68 91 0,4 1 1,36626 -2,3496
54 2019-01-14 00:24:47 24,91 11,9 13,44 19,86 28,34 1,25 38,29 15,68 92 0,9 1 1,7699 -0,168
55 2019-01-14 02:41:09 18,47 15,64 11,97 16,971 19,25 1,38 38,31 15,71 92 0,9 1 1,47633 -3,6348
56 2019-01-14 03:41:46 14,08 18,93 19,88 16,115 28,38 3,85 38,93 15,71 92 0,9 1 1,5143 -4,662
57 2019-01-14 03:56:55 17,2 22,11 17,46 18,699 19,87 2,1 38,09 15,75 92 0,9 1 1,40999 -1,5612
58 2019-01-14 04:27:13 19,52 13,7 17,87 17,609 29,02 3,1 38,05 15,68 92 0,9 1 1,59738 -2,8692
59 2019-01-14 04:57:31 17,31 21,58 13,86 18,246 17,19 1 38,15 15,68 92 0,9 1 1,45742 -2,1048
60 2019-01-14 05:42:56 16,55 17,32 19,93 17,119 23,74 4,95 38,1 15,61 93 1,2 1 1,26012 -3,4572
61 2019-01-14 05:58:05 10,55 17,3 10,95 12,615 25,45 4,05 38,94 15,41 99 0,2 1 1,35364 -8,862
62 2019-01-14 06:58:41 24,45 11,12 11,72 19,178 20,95 4,53 38,53 15,41 99 0,2 1 1,16487 -0,9864
63 2019-01-14 07:13:50 17,17 16,55 10,17 16,284 29,76 3,77 38,76 15,52 99 0,2 1 2,73944 -4,4592
64 2019-01-14 07:44:08 16,94 23,81 19,3 19,237 19,8 3,04 38,86 15,72 99 0,2 1 2,31602 -0,9156
65 2019-01-14 07:59:17 12,07 29,54 10,79 17,183 20,02 2,65 38,53 15,45 99 0,2 1 2,36449 -3,3804
66 2019-01-14 08:44:45 22,56 15,2 13,53 19,449 18,28 2,54 38,3 15,7 91 0,3 1 2,33036 -0,6612
67 2019-01-14 08:59:57 10,48 15,2 12,04 12,052 27,14 1,1 38,19 15,68 91 0,3 1 3,15237 -9,5376
68 2019-01-14 10:15:41 10,45 25,63 13,4 15,299 19,98 1,96 38,51 15,65 91 0,3 1 2,55029 -5,6412
69 2019-01-14 11:31:28 14,58 18,41 10,48 15,319 25,43 3,29 38,15 15,62 75 0,6 1 2,65368 -5,6172
70 2019-01-14 11:46:37 12,09 13,88 17,54 13,172 28,43 4,01 38,71 15,74 75 0,6 1 2,74196 -8,1936
71 2019-01-14 12:01:47 15,64 12,77 19,12 15,127 18,05 3,11 38,12 15,4 75 0,6 1 2,19707 -5,8476
72 2019-01-14 12:16:56 10,92 21,23 12,01 14,122 23,24 1,04 38,37 15,6 75 0,6 1 2,95884 -7,0536
73 2019-01-14 12:47:22 16,26 28,96 18,59 20,303 21,63 4,58 38,77 15,62 75 0,6 1 2,22779 0,3636
74 2019-01-14 13:17:41 24,3 13,23 18,83 20,432 23,24 3,47 38,02 15,55 75 0,6 1 2,48183 0,5184
75 2019-01-14 13:32:50 18,76 10,49 17,92 16,195 17,88 2,04 38,33 15,71 75 0,6 1 2,43391 -4,566
76 2019-01-14 14:33:35 12,32 14,3 14,14 13,096 20,55 2,71 38,11 15,82 73 4,2 1 2,49077 -8,2848
77 2019-01-15 00:12:23 16,82 28,74 10,61 19,775 18,06 1,02 38,68 15,63 98 0,2 1 1,47485 -0,27
78 2019-01-15 05:15:28 10,45 25,63 13,4 15,299 19,98 1,96 38,51 15,65 98 2,1 1 1,41274 -5,6412
79 2019-01-15 06:46:24 12,09 13,88 17,54 13,172 28,43 4,01 38,71 15,74 95 4,5 1 1,49544 -8,1936
80 2019-01-15 07:16:42 10,92 21,23 12,01 14,122 23,24 1,04 38,37 15,6 95 4,5 1 2,94352 -7,0536
39
81 2019-01-15 08:32:28 18,76 10,49 17,92 16,195 17,88 2,04 38,33 15,71 93 2,8 1 2,40914 -4,566
82 2019-01-15 09:33:05 12,32 14,3 14,14 13,096 20,55 2,71 38,11 15,82 93 2,8 1 2,45292 -8,2848
83 2019-01-15 11:04:00 20,58 21,83 11,1 20,007 27,42 2,74 38,04 15,49 80 0,5 1 2,82476 0,0084
84 2019-01-15 12:04:41 14,63 19,22 15,11 16,055 22,93 1,48 38,57 15,69 80 0,5 1 2,85263 -4,734
85 2019-01-15 12:50:10 14,23 24,02 17,04 17,448 19,36 2,5 38,35 15,53 80 0,5 1 2,39924 -3,0624
86 2019-01-15 13:50:48 24,19 15,75 16,88 20,927 29,97 1,2 38,78 15,44 80 0,5 1 3,22918 1,1124
87 2019-01-15 15:36:55 11,42 15,96 12,08 12,848 26,71 4,68 38,76 15,65 72 1,6 1 2,54312 -8,5824
88 2019-01-15 15:52:06 13,12 19,48 17,17 15,433 20,57 3,18 38,54 15,58 72 1,6 1 2,37545 -5,4804
89 2019-01-15 16:07:15 18,53 22,39 14,49 19,284 22,84 4,11 38,74 15,54 72 1,6 1 2,36691 -0,8592
90 2019-01-15 16:52:44 10,88 25,34 16,51 15,781 28,22 3,13 38,89 15,53 72 1,6 1 2,83256 -5,0628
91 2019-01-15 18:38:51 12,87 16,19 15,15 14,094 23,87 1,57 38,53 15,66 81 3,1 1 1,61177 -7,0872
92 2019-01-15 20:40:07 13,26 28,45 12,82 17,773 21,34 1,66 38,36 15,63 93 1,8 1 1,50075 -2,6724
93 2019-01-15 21:10:25 18,79 11,82 17,07 16,527 23,39 2,56 38,23 15,56 93 1,8 1 1,45784 -4,1676
94 2019-01-15 21:25:35 13,35 20,97 17,53 16,054 28,08 3,69 38,34 15,53 93 1,8 1 1,49825 -4,7352
95 2019-01-15 21:40:44 11,2 19,06 12,14 13,652 19,8 3,7 38,79 15,7 93 1,8 1 1,2354 -7,6176
40
ANEXO 4
ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA SIM800C
Placa de desarrollo SIM800c Shield para Arduino en lugar de SIM900 Módulo
GPRS GSM 4 Frecuencia disponible
Descripción:
SIM800C es un módulo GSM / GPRS de cuatro frecuencias, para el paquete
castle hole. Su rendimiento estable, apariencia compacta, rendimiento de alto
costo, para satisfacer las necesidades de los clientes.
Chip SIM800C: La frecuencia de trabajo de SIM800C es 850/900/1800 /
1900MHz GSM / GPRS, puede lograr un bajo consumo de energía.
Transmisión de voz, SMS e información de datos. El tamaño de SIM800C es
17.6 * 2.3 mm * 15.7, se puede aplicar a una variedad de requisitos de diseño
de productos compactos. Características principales:
• Cuatro frecuencias 850/900/1800 / 1900MHz
• Mensaje corto
• FTP / HTTP, protocolo TCP / UDP incorporado
• Detección de DTMF, Bluetooth 3.0 (opcional), interfaz USB
Hardware del escudo SIM800C:
La interfaz de la fuente de alimentación admite la entrada de voltaje de 5-26V.
Cuando la tensión es de 5-9 V, la corriente del adaptador de la fuente de
alimentación no puede proporcionar menos de 2A; y la batería de litio de
soporte (3.6-4.2V)
Interfaz de comunicación para puerto serie nivel TTL. Totalmente compatible
con Arduino, y compatible con otros sistemas de 5V, 3.3V, 2.85V. Puede a
través de la tapa del puente elegir utilizar el puerto serie de hardware (D1 D0)
o el puerto serie de software (D8 D7).
Soporte MICRO SIMCARD.
Es compatible con los cuatro segmentos de la toma de auriculares (tipo I).
Soporte de actualización de firmware SIM800C a través de USB o puerto
serie.
Se puede actualizar a la placa de desarrollo con la versión Bluetooth.
Tubo TVS a bordo, tarjeta SIM para proteger IC, dos condensadores de
tantalio de 100 UF y otras formas de hacer que la placa de desarrollo tenga
una estabilidad de rendimiento.
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