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• Jorge Humberto Arenas

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SENSOR DE HUMEDAD DE SUELO PARA LOMBRICULTIVO

KLAIREN TORO CARDONA CRISTIAN MONCADA GRADO 10 A

INSTITUCIÓN EDUCATIVA SANTA ISABEL OCTUBRE 12 DE 2016

SENSOR DE HUMEDAD DE SUELO PARA LOMBRICULTIVO

WALTER VALENCIA FÍSICA-MATEMÁTICA

INSTITUCIÓN EDUCATIVA SANTA ISABEL OCTUBRE 12 DE 2016

CONTENIDO Introducción.....................................................................................................................................1 Justificación......................................................................................................................................2 Objetivos...........................................................................................................................................3 General...........................................................................................................................................3 Específicos.....................................................................................................................................3 1

Conceptos Básicos....................................................................................................................4 1.1

Corriente Alterna (A.C., Alternating Current)....................................................................4

1.2

Corriente Directa (D.C., Direct Current)............................................................................4

1.3

Voltaje o Tensión Eléctrica................................................................................................5

1.4

Corriente o Intensidad de Corriente....................................................................................5

1.5

Conductor Eléctrico............................................................................................................5

1.6

Semiconductor....................................................................................................................6

1.7

Aislante..............................................................................................................................6

1.8

Resistencia Eléctrica...........................................................................................................6

1.9

Condensador.......................................................................................................................7

1.10

Transistor............................................................................................................................8

1.11

Diodo..................................................................................................................................9

1.12

Circuito Integrado.............................................................................................................10

1.13

Sensor...............................................................................................................................10

1.14

Protoboard........................................................................................................................11

1.15

Humedad..........................................................................................................................11

1.15.1

Humedad Ambiental.................................................................................................12

1.15.2

Medición de la humedad ambiental..........................................................................12

1.15.3

Humedad del Suelo...................................................................................................13

2

Marco Teórico........................................................................................................................14

3

Lombricultura........................................................................................................................16 3.1

Generalidades...................................................................................................................17

3.2

Diferencias y Semejanzas entre la Lombriz Común y La Lombriz Roja “Californiana”. .19

3.3

Tipos de Explotación........................................................................................................19

3.3.1

Explotación Productiva.............................................................................................20

3.3.2

4

Explotación Ecológica..............................................................................................20

3.4

Explotación de Eisenia Foetida (Lombriz Roja de selección Californiana)......................20

3.5

Plagas y riesgos que deben ser controlados......................................................................23

Desarrollo del Proyecto..........................................................................................................24 4.1

Materiales del Sensor.......................................................................................................24

4.2

Funcionamiento del Circuito............................................................................................24

5

Anexo: Sistemas Embebidos..................................................................................................27

6

Conclusiones...........................................................................................................................29

7

Bibliografía.............................................................................................................................30

8

Directorio Web.......................................................................................................................31

9

Directorio Web Imágenes......................................................................................................34

SENSOR DE HUMEDAD DE SUELO PARA LOMBRICULTIVOS

INTRODUCCIÓN La cría intensiva de lombriz roja “californiana” (Eisenia Foetida) no es nueva ya que desde los años 50 inicio en América, exactamente en Estados Unidos; sin embargo en Asia ya existían criaderos. A medida que la tecnología avanzó de forma acelerada en la segunda mitad del siglo XX, fue necesario mejorar el proceso de la cría de Eisenia Foetida para obtener productos de mejor calidad. En este punto la electrónica jugo un papel importante al desarrollar los sensores; así al tener mediciones de variables como humedad, temperatura y pH los granjeros podían tomar decisiones basados en esos datos. En el caso de este proyecto escogimos fabricar un sensor de humedad de suelo, los cuales son distintos de los sensores de humedad ambientales pero el principio de funcionamiento es el mismo. Aclaramos que este sensor solo detecta la presencia de humedad mas no la mide ni la controla, es decir es un prototipo.

TORO CARDONA, K. Y MONCADA, C.

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JUSTIFICACIÓN En el presente proyecto damos a conocer a estudiantes, profesores, directivas y demás interesados la necesidad de implementar sensores de humedad de suelo en lombricultivos, con el fin de garantizar el ambiente adecuado para la reproducción y desarrollo de las lombrices. Lo cual permite mejorar la calidad de los productos ya sea carne o humus. Además cabe mencionar que la detección de humedad es solo una parte de un sistema más complejo que incluye la medición y control automáticos de humedad, temperatura y pH con la posibilidad de enviar dichas mediciones a una base de datos en un ordenador; al contar con esto los agricultores pueden tomar decisiones sobre los datos obtenidos y así hacer ajustes en los dispositivos de medición o corregir errores humanos que afectaron el compostaje de tierra y lombrices.

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OBJETIVOS

GENERAL Fabricar un sensor de humedad de suelo que a través de un sistema electrónico indique la detección de humedad.

ESPECÍFICOS a) Implementar en un lombricultivo un sensor de humedad de suelo. b) Promover el uso de sensores en el proceso de cría intensiva de lombriz roja “californiana”. c) Cumplir satisfactoriamente con el proyecto asignado.

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1 CONCEPTOS BÁSICOS

1.1 CORRIENTE ALTERNA (A.C., ALTERNATING CURRENT) La corriente alterna es aquella que cambia constantemente de polaridad en el tiempo y de dirección; es la que llega a los hogares e industrias. Su uso principal es para el funcionamiento de grandes máquinas, en los hogares sirve como fuente de alimentación a electrodomésticos. Normalmente la frecuencia de operación varía según las regiones (Europa 50 Hz1 y América 60 Hz). Ésta es producida por grandes generadores movidos por la fuerza del agua en represas (hidroeléctricas), plantas nucleares, energía eólica o paneles solares. 1.2 CORRIENTE DIRECTA (D.C., DIRECT CURRENT) Se define la corriente directa como el flujo de cargas eléctricas en una misma dirección y polaridad, es decir o es positiva o negativa pero no las dos al mismo tiempo, a través de un conductor con diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos. En el presente proyecto el sensor funciona con este tipo de corriente. Tiene infinidad de aplicaciones en dispositivos de pequeños voltajes que usan baterías o en el caso de electrodomésticos y ordenadores que necesitan corriente alterna que luego es convertida a corriente directa.

1

Física. Unidad de medida de frecuencia Hertz (Hz).

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1.3 VOLTAJE O TENSIÓN ELÉCTRICA Es el fenómeno físico que impulsa (fuerza ejercida por una batería o una fuerza magnética) electrones a través de conductor en un circuito eléctrico. En fórmulas eléctricas es representada como V y su unidad de medida es el Voltio (V). 1.4 CORRIENTE O INTENSIDAD DE CORRIENTE Movimiento de carga eléctrica (electrones) que atraviesa un conductor, este fenómeno físico se presenta por el impulso o fuerza ejercido por el voltaje. En fórmulas eléctricas es representada como I y su unidad de medida es el Amperio (A). 1.5 CONDUCTOR ELÉCTRICO Es aquel material que ofrece poca resistencia al flujo de corriente y los cuales son necesarios para el funcionamiento de los circuitos eléctricos y electrónicos2. Son conductores casi todos los metales, el más usado es el cobre pero también podemos encontrar en algunos dispositivos oro y plata. De los líquidos el agua es el mejor conductor.

Imagen 1. Cables de alma de cobre. 2

Electrónica rama de la física encargada del estudio de los electrones libres y la acción de fuerzas electromagnéticas. Campo de la ingeniería y la física aplicada del diseño de dispositivos (¿Qué es la electrónica?, CODETEL artículo para la web Monografias.com)

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1.6 SEMICONDUCTOR Material que posee una resistencia alta respecto a los conductores pero no superior a la de los aislantes la cual decrece o aumenta dependiendo de la temperatura y permite el flujo de corriente. Los más usados son el silicio y el germanio. 1.7 AISLANTE Son aquellos materiales que ofrecen cierta dificultad al paso de corriente eléctrica, pues no ceden o aceptan electrones con facilidad. El mayor aislante es el aire pero en aplicaciones en dispositivos los más usados son el plástico y la cerámica. 1.8 RESISTENCIA ELÉCTRICA Es la oposición o atenuación del flujo normal de las cargas eléctricas o electrones en circuito eléctrico cerrado, tanto por componentes del mismo o dispositivos conectados a dicho circuito. En fórmulas eléctricas es representada como R y su unidad de medida son los Ohmios (Ω). En este caso haremos énfasis en el componente electrónico del mismo nombre resistencia o resistor, en especial el código de colores que permite saber, al observar el componente, cuál es su valor en ohmios.

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Imagen 2. Tabla de colores de resistencias eléctricas.

1.9 CONDENSADOR Es un componente electrónico formado por dos placas metálicas de igual carga eléctrica pero de signo opuesto. El cual almacena energía en forma de campo eléctrico por un lapso de tiempo y luego es entregado al circuito nuevamente. Su unidad de medida son los Faradios (F). Existe una gran variedad pero el empleado en este proyecto es el condensador electrolítico.

Imagen 3. Condensador Electrlítico. TORO CARDONA, K. Y MONCADA, C.

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1.10 TRANSISTOR Dispositivo semiconductor que permite el control de una corriente grande usando una corriente pequeña. Poseen una base, un colector y un emisor para regular el flujo de corriente. Las variedades más usadas de transistores son los PNP y NPN.

Imagen 4. Encapsulados de Transistores.

Imagen 5. Partes del Transistor

Imagen 6. Tipos de Transistores.

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1.11 DIODO Dispositivo semiconductor que permite el flujo de electrones en una sola dirección con una entrada llamada ánodo (+) y una salida llamada cátodo (-), fabricados de silicio principalmente y germanio. Su uso principal es como rectificador de señales eléctricas, pero también se usa ampliamente como conversor de Corriente Alterna a Corriente Directa. Existe un diodo que emite señales luminosas llamado Diodo Emisor de Luz, (LED, Light Emitting Diode).

Imagen 7. Tipos de Diodos.

Imagen 8. Diodo Emisor de Luz (LED).

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1.12 CIRCUITO INTEGRADO Es un sistema embebido3 en forma de pastilla, conocido como chip o microchip, formada por material semiconductor que posee componentes electrónicos tales como diodos, transistores, resistencias y condensadores destinados a cumplir una sola función o varias. En el caso del proyecto usamos el 555 el cual es usado en alarmas, detectores, temporizadores o controles de servomotores.

Imagen 9. Circuito Integrado 555.

1.13 SENSOR Dispositivo que recibe una magnitud del exterior y la convierte a señales eléctricas por medio de circuitos intermedios, para luego ser recopilada en forma de información visual o sonora. Existe una gran variedad de sensores para medir distintos tipos de magnitudes físicas como luz, temperatura, pH, humedad, fuerza, presión, velocidad entre otros.

Imagen 10. Sensor de Humedad de suelo. 3

Embebido: Incorporar, incluir dentro de sí a otra. (Definición del Diccionario de la Real Academia Española).

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1.14 PROTOBOARD Es un tablero para probar circuitos electrónicos antes de su montaje final, en los orificios que tiene son insertados los componentes electrónicos y cables del circuito.

Imagen 11. Vista Externa (Izq.) y Vista Interna (Der.)

1.15 HUMEDAD Es la cantidad de partículas de agua existentes en un medio ya sea aire, suelo entre otros. Vamos a observar los siguientes humedad ambiental y humedad del suelo.

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1.15.1 Humedad Ambiental Es la cantidad de vapor de agua presente en el aire.

1.15.2 Medición de la humedad ambiental Aquí recurrimos textualmente a las definiciones del artículo de la web EcuRed para definiciones exactas sobre los conceptos. [Presión de vapor La presión de vapor o tensión de vapor es uno de los modos de estimar la cantidad de vapor de agua contenida en el aire. Se expresa como una presión, en pascales (Pa o KPa) o columna de mercurio (mmHg).] [Humedad absoluta La humedad absoluta indica la cantidad total de vapor de agua que contiene un volumen de aire, a una temperatura y presión determinadas, y se expresa en gramos por metros cúbicos (g/m3)…] [Humedad específica Es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire medido en gramos de vapor por kilogramo de aire húmedo (g/kg).] [Razón de mezcla La razón de mezcla o relación de mezcla, es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire medido en gramos de vapor por kilogramo de aire seco (g/kg). En la práctica es muy semejante a la humedad específica, pero en ciertas aplicaciones científicas es muy importante la distinción.] [Humedad relativa La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento (%).]

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1.15.3 Humedad del Suelo Es la cantidad de agua contenida por volumen de tierra. Existen variados métodos o técnicas de medición entre ellas está el método del tacto el cual consiste en apretar la tierra entre el pulgar y el dedo índice o apretar la tierra con la mano, pero se requiere tiempo para desarrollar habilidad y adquirir experiencia. Otras técnicas son: el uso de sonda neutrones, la resistencia eléctrica (esta es usada en este proyecto), la tensión del suelo, termómetros de luz infrarroja, por medio del uso de ordenadores y sistemas embebidos (Raspberry Pi o Arduino), entre otras nuevas tecnologías.

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2 MARCO TEÓRICO La agricultura en la actualidad exige atención primordial tanto para dueños de fincas o haciendas y los cuidadores de las mismas puesto que el desempeño productivo marcará su sustento económico y alimenticio. En ocasiones encontramos que en haciendas de gran tamaño el número de trabajadores puede no ser el adecuado y el dueño no tiene capacidad para contratar más. Entonces en este punto la tecnología de bajo coste (sistemas embebidos, sensores, aplicaciones de ordenador y móviles…) juega un papel importante para la medición y control de variables (humedad, temperatura, pH, pluviometría…) en los cultivos, lo cual permite tanto a dueños y trabajadores verificar el estado de los cultivos a través de redes inalámbricas en celulares u ordenadores. También permite rediseñar los planes de revisión manual ayudados por los datos ofrecidos por los sensores y así tomar decisiones sobre que necesita los distintos tipos de cultivos. Sin dejar de mencionar a los pequeños agricultores que pueden usar dicha tecnología y aprender de ella, ya que al tener parcelas no necesitaran tantos implementos para mejorar la calidad de la tierra y productos que obtenga de ella. Ahora si pensamos en la reducción de costes la lombricultura es una opción, ya que la crianza de lombriz roja “californiana” nos permite obtener productos como carne rica en proteínas y humus (excelente renovador orgánico de tierra), sin contar los subproductos. Entonces sí es combinado el humus con la tierra de los cultivos estos crecerán más, las plantas estarán más fortalecidas y son obtenidos productos de mejor calidad; así no es necesario la necesidad de fertilizantes químicos los cuales afectan considerablemente la salud de las plantas y árboles y todo producto que provenga de ellas, lo cual llega al consumidor incluyendo a dueño(s) y trabajadores. Además tendrían un nuevo producto para vender que en caso de sobreproducción puede costear el mantenimiento del sistema de medición y control de cultivos.

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Con todo lo anterior en el proyecto emplearemos un Sensor de Humedad de Suelo usando la técnica de Resistencia Eléctrica el cual nos muestra visualmente y de forma intermitente (con el uso de dos LED) que tan húmedo o seco está la tierra; también por ser uno de los métodos más usados y de menor costo.

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3 LOMBRICULTURA Aproximadamente hace 10.000 años A.C. en Egipto y Mesopotamia tuvo origen la agricultura. Los egipcios admiraban a las lombrices porque le daban gran crédito por la fertilidad del valle del Nilo. Pero durante el siglo IV A.C. Aristóteles fue quien las bautizó como los intestinos de la tierra, este nombre dado por él a dichos anélidos nos da ya una idea de lo que significa limpieza y renovación de la tierra (referencia al humus de la Eisenia Foetida, párrafo dos del Marco Teórico). Una reina egipcia (Cleopatra VII) ascendió a las lombrices, dentro de la jerarquía criaturas divinas de las creencias de su pueblo, al nombrarlas “animal sagrado”. Gilbert White (1.777) dice “El gusano de tierra en apariencia ínfimo eslabón de la cadena de la naturaleza, dejaría si desapareciera, un lamentable vacío...” demasiado poético pero sin lugar a dudas es verdad pues la naturaleza necesita renovar la tierra y dar alimento a todas las especies de plantas y vegetales, y él agrega otras meditaciones interesantes “Los gusanos de tierra parecen ser los grandes promotores de la vegetación...” y “La tierra sin ellos pronto parecería fría, desierta desprovista de fermentación y por consiguiente estéril”. Luego Darwin las estudio exhaustivamente y recogió todos los resultados en su obra “The formation of vegetable mould trough the action of worms, with observation on their habits” en 1.881 que traduce La formación de tierra vegetal a través de la acción de los gusanos, con la observación de sus hábitos. Ya para la década de los 40’ en California (Estados Unidos) se inicia la crianza experimental de lombriz. En 1.947 comienza el uso de la carne de lombriz para alimentar a los animales de zoológicos y el estadounidense Hugh Alton Carter (político y hombre de negocios) las criaba con fines comerciales. Pero la lombricultura extensiva comienza realmente en 1.978 en Italia.

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Después de estos antecedentes pasemos a conocer un poco sobre la Eisenia Foetida o lombriz roja “californiana”4 y el proceso de crianza. 3.1 GENERALIDADES La lombriz de tierra es un invertebrado anélido 5 cuyo cuerpo posee un sistema muscular desarrollado que le permite moverse en todos los sentidos. No tiene ojos, pero su piel está cubierta de células fotosensibles.6 Lo cual le permite retirarse rápidamente cuando queda expuesta a la luz solar, puesto que los rayos de sol la matan en pocos minutos. También le perjudica la falta y exceso de humedad; en agua se asfixia por lo cual huye de sus túneles hacia otros cuando éstos se ven inundados. A medida que avanza bajo el suelo consume grandes cantidades de tierra, hojas descompuestas y cualquier otro residuo orgánico (no ataca las raíces vivas de las plantas) que al ser expulsados por el ano se transforma en “humus”, el cual contribuye a la fertilidad de la tierra. Por eso a las lombrices de tierra se les atribuye la fertilidad del Valle del Nilo7 desde hace miles de años.

4

Usamos comillas porque la lombriz no procede de California (Estados Unidos) sino de Europa, Norte de África y Asia, pero fue de ese estado norteamericano que para el mundo occidental cobró importancia su crianza. 5 Anélido: (Grosso modo) Gusano de cuerpo cilíndrico con anillos o pliegues transversales. 6 Fotosensible: Que es sensible a la luz. 7 Valle del Nilo (Egipto)

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Imagen 12. Eisenia Foetida

Imagen 13. Cocun o Cocón

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Imagen 14. Anatomía general de la lombriz.

3.2

DIFERENCIAS Y SEMEJANZAS ENTRE LA LOMBRIZ COMÚN Y LA LOMBRIZ ROJA “CALIFORNIANA” LOMBRIZ COMÚN

LOMBRIZ ROJA "CALIFORNIANA"

4 a 8 años

16 años

6 años

14 años aprox.

9 a 30cm aprox.

6 a 20cm aprox.

Diámetro

3 a 5mm

3 a 5mm

Voracidad

Leve a Moderada

Muy Alta

7 a 10 días

7 días

VARIABLE Años de vida promedio Años de vida promedio en cautividad Longitud

Cópula

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Cantidad de cocones*

15 aprox.

15 aprox.

Larvas por cocón

3 a 10 aprox.

2 a 20 aprox.

Apertura cápsulas

14 a 21 días

25 a 30 días