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Sistema Hidropónico con Hidrolisis automatizado usando energía renovable Autosostenible Felipe Jaimes Universidad Nacional del Callao Estudiante Ing. Electrónica Lima, Peru [email protected]

Brayan Collazos Universidad Nacional del Callao Estudiante Ing. Electrónica Lima, Peru [email protected]

Abstract— Implement a system in which the variables of temperature, humidity, luminosity, CO2 and PH developing it in a crop hydroponic that guarantees the survival of the plant. In addition to monitoring and controlling pests that could affect the plant. through an automated system with renewable energy. obtaining energy with solar and wind panels. also accumulate rainwater for watering the plants. thus achieving a self-sustainable system, with better quality products and cultivate all kinds of food on any day of the year. Palabras Claves: Hidroponía, Automatización, Autosostenible. I.

Plagas,

Energía

renovable,

INTRODUCCIÓN

Los cultivos bajo invernaderos han permitido con el pasar de los años tener productos de buena calidad, alargando el ciclo del cultivo, permitiendo producir en lugares de difíciles condiciones, obteniendo no solo calidad, también cantidad. Adicionalmente se deben tener en cuenta los cultivos sin suelo, hidroponía (trabajo en agua) o Aeroponia que a pesar de que tienen tiempo de investigación e implementación son métodos poco conocidos de producción agrícola y es un centro de atracción para muchas personas que quieren cultivar sus vegetales frescos, sin preocuparse de excesos de fertilización, pesticidas, clima, problemas de la tierra, etc., traen muchas ventajas, como: [1]       

Ahorro de agua Manejo automatizado Ahorro en mano de obra Ahorro en uso de sustratos Mayor producción en menos espacio Menor perdida en uso de fertilizantes. Solo se utilizan los necesarios. Mayores ganancias con menor inversión.

La automatización de invernaderos ya es muy popular en distintos países, ya que un alto porcentaje de las cosechas se pierden por el descuido del personal que tiene que vigilar los plantíos las 24 horas del día. [2] Estos son algunos ejemplos de descuidos comunes:      

planta deshidratada: por no regar a tiempo y en forma. planta ahogada: por exceso de riego. plantas con poco crecimiento: por no contar con un sistema automático de nutrición. plantas asfixiadas: por el exceso de temperatura debido a que no abren las cortinas al medio día. plantas quemadas: por no cerrar las cortinas o encender los calentadores en las heladas. plantas con plagas: debido a que en una tormenta se rompieron las cortinas por no cerrarlas oportunamente o por dejar las puertas abiertas del invernadero sin control de acceso. (Automatización, control y monitoreo de invernaderos, 2015) [3]

La idea de un invernadero hidropónico automatizado ofrece muchos beneficios; como desarrollar un entorno favorable para el desarrollo de cualquier cultivo que se acomode al sistema de nutrición atreves de la raíz y no solo se ahorre tiempo en el manejo del cultivo, también espacio, ya que la tierra cada día se encarece más y los terrenos para siembra están limitados, desgastados y contaminados, es entonces cuando la hidroponía se ofrece como una alternativa importante al generar más

Emerson Arce Universidad Nacional del Callao Estudiante Ing. Electrónica Lima, Peru [email protected]

Mario Chauca Universidad Nacional del Callao Docente Lima, Peru [email protected]

producción en menos espacio y sin el peligro de la contaminación y no hay que olvidar que se ahorra agua, energía, se tendrá menor perdida en uso de fertilizantes, reduciendo costos e incrementando utilidades. [4] Obtener un óptimo ahorro de agua mediante el proceso de electrolisis esto lo lograremos en base a los depósitos de agua que obtendremos como puede ser por consecuencias de lluvias , a su vez con un Panel solar que actuara con un microcontrolador que activara a las electroválvulas para poder realizar esta operación estas electroválvulas se activaran al alimentarlas con un potencial eléctrico generando un campo magnético y así actuar sobre el embolo que tienen para actuar de forma que impide o no el paso del fluido .[5] Además, también se ve los nutrientes, Como nos encontramos en un sistema de hidroponía por raíz flotante inicialmente agregaremos la solución nutritiva (agua más mineral) y después solo agregaremos agua hasta encontrar un cambio ya sea en el volumen de la solución o a su vez en el PH, CE. [6] Así como también este es un sistema hidropónico abierto puesto que a través de unas bombas periféricas haremos circular el agua, tenemos 4 contenedores los cuales están bajo la nómina de nutriente A, nutriente B, pH Down, pH UP. [7] Los nutrientes A y B se agregan en función de la cantidad de agua a circular teniendo la proporción de 5ml de solución concentrada mayor A y 2ml de solución concentrada menor B (esto será explicado a continuación en procedimiento). Ya que los países europeos y no europeos han adoptado una serie de mecanismos de apoyo al mercado que van desde simples primas por unidad eléctrica producida por las plantas de energía renovable a mecanismo más complejos que obligan a los generadores eléctricos a obtener un porcentaje creciente de suministros a partir de la energía renovable [8]. Tecnología solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación: renovable (biomasa, energía eólica) o no renovable (combustible fósil). Muchos sistemas híbridos son autónomos y funcionan fuera de la red, no conectados a un sistema de distribución de electricidad. Para los tiempos en los que ni el viento ni el sistema solar están produciendo, la mayoría de los sistemas híbridos proporcionan energía por medio de baterías y/o un generador de motor alimentado por combustibles convencionales, como el diésel. Si las baterías se agotan, el generador del motor puede suministrar energía y recargar las baterías. [9]. El uso de paneles solares y eólicos en este proyecto no es ajeno. Para ello mostramos la Figura 1 y Figura 2.

Figura 1. Mapa de lectura de irradiación para el uso de paneles solares en el Perú [10]

B. Operacion 

Se guarda una base de datos tomando el producto final y en buenas condiciones (en este caso lechugas).

Figura 3. Lechuga en buenas condiciones  Figura 2. Mapa eólico en el Perú [11]

Figura 4. Lechuga en pésimas condiciones

Usando la herramienta MATLAB para este objetivo tenemos que procesar las imágenes tomando patrones de RGB.

Tabla I. Valores de Irradiación según ubicación geográfica [12]

Figura 5. Planos R, G, B.  Condiciones Que Mantener En Un Invernadero: Una característica esencial del invernadero va en función al clima de la zona para generar el diseño sin olvidar la orientación de este buscando que sea maleable, económico y que sostenga al cultivo con todo el equipo necesario para satisfacer las necesidades fisiológicas. [13] como: Agua: elemento cuya función es controlar la temperatura de la planta y movilizar los nutrientes que implica.  Sistema de riego (localizado, nebulización y aspersión)  Automatización del sistema de riego [14] Nutrición:  Fertilización o fertirriego [15] Humedad Relativa: factor esencial para el control de temperatura, para mantenerla se utiliza:  riego por nebulización.  paredes húmedas. [16] Temperatura: factor que incide en el desarrollo eficiente de la planta para controlarla partiendo del clima podemos utilizar:  termohigometros: te permite conocer la temperatura dentro del invernadero.  Extractores, calefactores, ventiladores  mallas sombras-plásticos (cobertura)  malla antiafidos, ventanas cenitales [17] Ventilación: Es la renovación del aire dentro del invernadero con el fin de aportar CO2 necesario para el desarrollo del cultivo y disminuir la temperatura interna.  Colocar ventilas existiendo tres posibilidades de hacerlo: 1. En la parte alta del invernadero (ventilas cenitales) 2. En los costados (ventilas laterales) 3. En la parte alta de los frentes o posteriores (ventilas frontales). Las ventilas deben protegerse mallas antiafidos para impedir el paso de insectos y aves [18] II.

PROCEDIMIENTO

A. Definicion del problema: Analizando la forma de crecimiento del cultivo, según su tiempo de maduración y también la infestación a las misma por plagas se toma muestras por una cámara digital y en comunicación de MATLAB para posteriormente procesar algunas informaciones y obtener un diagnostico ya sea para la sugerencia de insecticidas, riego, fertilizantes, tamaño de productos cultivados, etc.

Se toma muestras, se identifica partes buenas y malas de cada porción.

Figura 6. Señalización de partes analizadas

Figura 7. Control de conductividad eléctrica Gracias al módulo “MinieC”[19], El módulo entrega una señal digital de 12 bits a través del bus I2C [20] a nuestro controlador en este caso Arduino el cual nos facilitara la comunicación evitando el uso de muchos pines con el sensor de EC-451. Al igual que en el PH realizaremos una lectura de 50 datos y obtendremos un promedio de estos y aplicaremos la siguiente fórmula de ajuste para la obtención del valor de conductividad: 𝐸𝐶(𝑚𝑆) = (𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 ∗ 32.194) − 1476.746

(1)

Figura 11. Monitoreo de CO2 la concentración del CO2 normal en la atmosfera es del 0.03 % se debe aumentar a límites de 0,1% – 0,2% gracias a esto reduciremos el tiempo de la cosecha con ayuda del sensor MQ135. [26] Mediante las formulas

𝑅𝑠 = Figura 8. Control de dosificación Mediante este subsistema se realiza la lectura de los niveles de pH. El módulo pH se lee desde un puerto analógico, por lo tanto, se obtiene un valor entre 0V y 5V, se toma lectura de 50 datos y se obtiene un promedio de estos, aplicando la siguiente fórmula para la obtención del valor de pH:

𝑝𝐻 = 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 ∗

17.5 1024

𝑉𝐶 −𝑉𝑅𝐿 𝑉𝑅𝐿

× 𝑅𝐿 𝑅

𝑝𝑝𝑚 = 113,7105 × ( 𝑆 )

−3,0197

𝑅0

(2)

Gracias al kit “Analog pH Meter Pro”[21] que incluye un sensor industrial con precisión de ±0.1pH a 25°C y que además el fabricante especifica que puede permanecer sumergido en el fluido en este caso agua por periodos largos, junto con un transmisor que entrega la señal escalizada de 05VDC para un rango de pH de 0 a 14 [22]. El transmisor cuenta también con un potenciómetro de ajuste de ganancia para su calibración en soluciones alcalinas o ácidas. Figura 12. Diagrama electrónico General del Sistema III.

LOGICA PROGRAMADA

Figura 9. Monitoreo de Temperatura y Humedad Relativa dentro del Invernadero Durante la etapa de desarrollo es importante el monitoreo por parte de la humedad relativa pues las temperaturas muy bajas disminuyen el metabolismo y el desarrollo de la planta, lo que atrasaría la cosecha, temperaturas muy altas con baja humedad relativa aumentan las tasas de evapotranspiración y pueden causar deshidratación [23], para ello utilizamos sensor DHT22 te permite monitorear temperatura y humedad relativa de forma precisa y sencilla. La salida suministrada es de tipo digital. [24] 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 % =

𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎∗1000 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

Figura 10. Variación de valores Temperatura y Humedad. [25]

(3)

(4)

Figura 13. Diagrama de bloques

%llamado de imagen a=imread('lechugam.jpg'); %extraccion de planos ar=a(:,:,1); ag=a(:,:,2); ab=a(:,:,3); %despliegue image(a) figure(1),subplot(2,3,2),image(a),title('original') figure(1),subplot(2,3,4),imshow(ar),title('plano rojo') figure(1),subplot(2,3,5),imshow(ag*2),title('plano verde') figure(1),subplot(2,3,6),imshow(ab),title('plano azul') ag_recorte=ag(:, 100:120)*2; ag_recorte2=ag(:, 150:170)*2; figure(2),subplot(1,2,1),imshow(ag_recorte) figure(2),subplot(1,2,2),imshow(ag_recorte2) pl=ag(:,111)*2;

(5)

pl2=ag(:,230)*2; grid on figure(3),subplot(1,2,1),plot(pl) figure(3),subplot(1,2,2),plot(pl2) ag(:,111)=0; ag(:,167)=0; figure(4),imshow(ag) indexmin=find(min(pl)==pl); ymin1=pl(indexmin) indexmin=find(min(pl2)==pl2); ymin2=pl2(indexmin) [m,n]=size(ymin2); disp('la lechuga 1:') if (ymin1