Proyecto de tesis (Word) - Invernadero Inteligente

Invernadero Inteligente para Clima Calido
Enrique Madge
Octubre 2009
Contenido
1. Introducción
2. Objetivo General
3. Objetivo Especifico
a. Temperatura
b. Humedad Relativa
c. Riego
4. Marco Teórico Referencial
a. Microclima
b. La planta
c. Sensores
5. Marco Empírico Referencial
a. Descripción del proyecto
i. Funcionamiento de un sistema de control climático
b. Control y monitoreo de variables ambientales
i. Diagrama de bloques del sistema
c. Sistema de Monitoreo
i. Panel Frontal
ii. Panel de Monitoreo
iii. Panel de Parámetros
iv. Panel de Modo Auto/Manual
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1.- Introducción
Se creara un espacio con el microclima apropiado para el óptimo desarrollo de una
planta específica, por lo tanto, con el objeto de obtener la temperatura, la humedad
relativa y la luminosidad del ambiente y con su posterior corrección se puede alcanzar
alta productividad, en cualquier época del año, alargar el ciclo de cultivo, a bajo costo,
en menos tiempo, con menor impacto ambiental, protegiéndolos de las lluvias, el
granizo, las heladas o los excesos de viento que pudieran perjudicar el cultivo.
2.- Objetivo General
Control del microclima en el interior del invernadero, a través de señales que emiten los
sensores al computador, que monitorean la temperatura, la humedad relativa y
luminosidad del ambiente. Para obtener una alta productividad en el menor tiempo,
gracias a un control eficiente y eficaz de los recursos.
3.- Objetivo Especifico
A través del software el invernadero se lograra un área protegida y controlada,
establecida para evitar que la plantación se exponga a todos los factores que pudieran
perjudicar sus resultados, tales como:
3.1.- Temperatura
Es el factor más importante ya que el crecimiento y/o desarrollo de los cultivos se
detienen por debajo de los 10-12 ºC y por encima de los 30-32 ºC. El exceso de
temperatura causa daño en la morfología y en los distintos procesos fisiológicos de
las plantas, como son la formación floral, la quemadura de hojas, la mala calidad del
fruto, el exceso de transpiración, el acortamiento de la vida del cultivo, la reducción
de la fotosíntesis neta debido al exceso de respiración..
Sistema de Control del Invernadero:
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Ventilación lateral. Ventana diseñada para operar de forma automática, por
decisión del programa controlador.
-
Extractor colocado en la parte alta del invernadero para expulsar el aire caliente
y renovarlo de accionamiento automático.
-
Refrigeración por evaporación de agua (cooling system). Este actuara en un día
caluroso en el que el sistema de ventilación no logre disminuir la temperatura
máxima.
-
Reducción de la radiación solar con malla negra colocador por afuera de la
cubierta de polietileno con protección UV.
3.2.- Humedad Relativa
La humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire. La humedad
relativa es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los
cultivos. Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en
perfectas condiciones.
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Existe una relación inversa de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas
temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por lo tanto
disminuye la humedad relativa. Con temperaturas bajas la humedad relativa baja.
La humedad alta favorece a la transmisión de plagas, enfermedades y abortos
florales. La humedad baja podría secar las plantas.
Sistema de Control del Invernadero:
-
Para evitar una humedad excesiva, debemos de regar a primeras horas del día y
suspender el riego en el caso de tener la humedad relativa alta. Sistema de riego
programado.
-
Si el grado de humedad es demasiado bajo, vaporizando las plantas de forma
periódica. Sensores de humedad activan el sistema de riego Cooling System para
elevar a la humedad.
-
Días nublados y fríos programación de riego cortó.
-
Ventilación lateral, controlada por software y sensores.
3.3.- Riego
El riego es importante porque tanto el exceso como el defecto de agua en el suelo
durante un tiempo prolongado, restringe el crecimiento de las plantas.
Sistema de Control del Invernadero:
-
Aplicar al suelo una cantidad de agua, en forma oportuna y uniforme que
satisfaga el requerimiento hídrico de los cultivos, con un criterio
conservacionista de los recursos. Sistema de riego programado por tiempo.
-
La irrigación incrementa la evaporización de la superficie del suelo, de ese modo
reduce la temperatura de la superficie del suelo. Sensores y sistema de riego
Cooling System trabajan en conjunto para disminuir la temperatura por método
de evaporación.
-
Regar por las mañanas para minimizar la condensación, ya que esto podría ser
una causa de enfermedades. Sistema de riego programado por las mañanas.
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En días nublados y fríos reduce el riego. Sensores coordina con el sistema de
riego para reducir el tiempo de operación.
4.- Marco Teórico Referencial
Un invernadero provee un ambiente apropiado, tanto en el suelo como en el aire, para el
cultivo de especies vegetales. Las razones principales que llevan a cultivar en
invernaderos pueden enumerarse en:
-
Proveen un microclima especial para el mejor crecimiento de los cultivos.
Logran extender los tiempos de producción.
Protegen a los cultivos de las inclemencias del tiempo.
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Un invernadero inteligente es aquel que mediante sensores, actuadores y software,
pueden controlar todas las variables sin la intervención del hombre, logrando una
producción más eficiente que la de un invernadero normal.
4.1.- Microclima
Un microclima es un clima local de características distintas a las de la zona en que
se encuentra. El microclima es un conjunto de afecciones atmosféricas que
caracterizan un contorno o ámbito reducido.
Los factores que lo componen son la topografía, temperatura, humedad, altitudlatitud, luz y la cobertura vegetal.
4.2.- La planta
La alcachofa o alcaucil (Cynara scolymus) es una planta cultivada como alimento en
climas templados. Pertenece al género de las Cynara dentro de la familia
Asteraceae.
Es planta perenne de hasta 150 centímetros de envergadura, que vuelve a brotar de
la cepa todos los años, pasado el invierno.
Echa un rosetón de hojas profundamente segmentadas aunque menos divididas que
las del cardo y con pocas o ninguna espina.
Las hojas tienen color verde claro en el haz y en el envéz están cubiertas por unas
fibrillas blanquecinas que le dan un aspecto pálido. Tanto el rabillo de la hoja como
la vena principal tienen costillas longitudinales muy salientes.
Cuando la planta entallece echa un vástago más o menos alto, rollizo, pero también
costilludo y asurcado con cada vez más escasa hojas. En lo alto de él, y en algunas
ramas que surgen laterales traen unas cabezuelas muy gruesas, las alcachofas,
cubiertas de numerosas brácteas coriáceas, en la base de las cuales está lo tierno y
comestible.
Al florecer, endurecen mucho las dichas bracteas y no se pueden aprovechar para
comer, aunque no rematen en espinas como la de los cardos.
4.3.- Sensores
Es un dispositivo que detecta fenómenos físicos, como la energía, velocidad,
aceleración, tamaño, cantidad, etc. Podemos decir también que es un dispositivo que
aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la
pueda interpretar otro elemento. Conectados a un computador de modo que los
valores censados puedan ser leídos por un humano.
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Sensor de temperatura
Encargado de medir la temperatura interna del Invernadero. Cuando esta se
encuentra por debajo del rango permitido, el sistema da la orden de cerrar las
ventanas laterales y si es necesario encender la calefacción para mantener el
calor interior y proteger al cultivo de las heladas y cuando se encuentra por
encima del rango permitido, las ventanas laterales de abren en caso de estar
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cerradas, el sistema activa el extractor y el sistema de evaporación de agua
Cooling System entra en funcionamiento.
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Sensor de humedad
Encargado de medir la humedad relativa del ambiente, cuyos datos se usaran
para suspender el sistema de riego si sus valores son muy altos y de activar el
sistema de vaporización Cooling System en caso que sus valores sean muy
bajos.
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Sensor de luz
Colocado en el interior. Encargado de recolectar los datos de la luminosidad
interior, en caso de ser bajos (días nublados) se encenderán las lámparas de
sodio de alta resistencia para que la plantación puede seguir con el proceso de
fotosíntesis y trabajara con el sistema de riego para que los días fríos y de poca
iluminación acorte el riego y evitar un exceso de humedad.
5.- Marco Empírico Referencial
En la actualidad, la eficiencia y la funcionalidad juegan un papel importante en la
administración de un invernadero. Por eficiencia se entiende la idoneidad para
condicionar alguno de los principales elementos del clima, no de una manera estática o
incontrolable, sino entre límites bien determinados de acuerdo con las exigencias
fisiológicas del cultivo. La funcionalidad es el conjunto de requisitos que permiten la
mejor utilización del invernadero como sistema productivo.
Esta automatización permite interactuar con el invernadero sin necesidad de operar
manualmente los diferentes actuadores y leer los sensores en terreno.
Hoy en día podemos realizar todo tipo de mediciones y control desde un PC el cual
registra y procesa toda la información.
Mediante un software que permita visualizar, monitorear y controlar el proceso en el
invernadero, en menor tiempo, con el mínimo de pérdidas en la obtención de datos y
método de fácil instalación, se diseña un sistema el cual permite el monitoreo y control
total de variables ambientales dentro del invernadero, este esta proyectado para detectar
condiciones climáticas como son la temperatura, humedad relativa.
El ciclo de trabajo inicia en el sensor de humedad. Este nos entrega un parámetro, el
cual lo vamos a condicionar a un determinado número lógico, que a su vez será
interpretado por el CPU como condición de encendido o apagado del sistema de
bombeo Cooling System, acortar o alargar el periodo de riego o activar el sistema de
ventilación.
En el caso del sensor de temperatura nos va entregar datos, con los cuales se controlan
los estados del extractor colocado el la parte superior, los servos para la apertura y cierre
de ventanas laterales, el sistema de calefacción y el sistema de evaporización Cooling
System, para mantener así la temperatura dentro del invernadero.
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5.1.- Descripción del proyecto
Los sensores de temperatura actúan de acuerdo a la variación del clima que se
encuentre dentro del invernadero llevando a dar una temperatura estable para
simular la temperatura de una región en particular. Todos los datos obtenidos, tanto
el estado de las entradas como el de las salidas se muestran en un software de
visualización y control con el cual se observa en tiempo real el estado de dichas
variables.
Que puede hacer nuestro sistema?, Puede controlar la temperatura y humedad dentro
del invernadero, así como la luminosidad, y según la programación que se le
definida al autómata, él actuara. Por ejemplo si la temperatura pasa del máximo,
activar los servos que manejan las ventanas laterales, entrara en funcionamiento el
extractor de aire, como el sistema Cooling System. En el caso que la temperatura se
baje demasiado y se pase del mínimo, lo esencial seria cerrar las ventanas laterales,
prender las resistencias de calefacción. Al igual que el sistema de riego el cual se
activara según se haya programado, Las posibilidades son muchas.
Dentro de la aplicación de visualización se encuentran diferentes ventanas de
aplicación, la primera nos da la opción de ver en tiempo real las variables
recolectadas por los sensores ubicados en el campo, la segunda ventana nos da la
opción de modificar los parámetros y la última ventana nos da la opción de ponerlo
de modo manual o automático.
5.1.1.- Funcionamiento de un sistema de control climático
Para controlar el microclima en el interior de un invernadero se utiliza un sistema
de control realimentado (ver figura 1), que se compone de cuatro partes
fundamentales:
• Proceso: Variable a controlar (Ej. Temperatura).
• Sistema de medida o elementos que realizan una estimación del valor de la
variable a controlar y las demás variables que necesite el controlador (Ej.
Sensor de temperatura).
• Controlador: Sistema que compara el valor actual de la variable a controlar con
el valor deseado de ésta y toma las decisiones oportunas para que la diferencia
entre estos dos valores sea nula. (Ej. Computador y herramienta informática
que controlen las variaciones de temperatura).
• Actuadores: Son los dispositivos al que el controlador ordena funcionar para
mantener a la variable en los límites deseados. (Ej. Ventilación, calefacción,
etc.).
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En un invernadero, se deben controlar todas la variables simultáneamente,
climáticas y no climáticas; internas y externas al invernadero. Por tanto, al
controlador deben llegar las señales de todos los sensores que miden las variables
anteriores. Para eso es necesario disponer de un multiplexor que recoja todas las
señales para que el controlador pueda trabajar con ellas.
Una vez que el controlador recibe las señales procedentes de los sensores que le
informan sobre el estado de las variables, comprueba que éstas se encuentren en
los límites permitidos y da las ordenes oportunas a los actuadores para alcanzar el
estado global deseado. Si una de las variables no se encuentra dentro de su
intervalo permitido da la orden al actuador correspondiente para que actúe en
consecuencia. Para activar un actuador se utilizan los relés, que son como
interruptores que cierran los circuitos cuya misión es el arranque de estos
actuadores.
Debido a que el control del clima de un invernadero se compone de varios lazos de
control, necesitando una gran capacidad de cálculo y decisión, se suele utilizar un
computador como controlador del sistema.
5.2.- Control y monitoreo de variables ambientales
Como primer paso en el desarrollo del proyecto se realiza la programación del
Phidget Interface Kit 8/8/8 dispuesto para controlar los estados dentro del
invernadero como son temperatura, humedad y luminosidad, siendo estas las
variables más importantes.
La programación de dicha interfase se desarrolla en .NET, esta programación
efectúa cambios en la temperatura, la humedad y la luminosidad del invernadero, en
donde las entradas que se utilizan son analógicas, manipulando el estado de las
salidas, las cuales son el extractor, los servos para apertura de las ventanas laterales,
la calefacción, el Cooling System y el sistema de riego.
5.2.1.- Diagrama de bloques del sistema
El diagrama de bloques general muestra como es el proceso de control completo
dentro del invernadero, la manipulación de extractores, ventanas, sistema de riego
e iluminación, con el propósito general, la automatización del invernadero. (ver
figura 2.)
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5.3.- Sistema de monitoreo
El sistema de monitoreo se compone del software fundamental para la
automatización, base fundamental del trabajo.
Dentro del trabajo se compone de ventanas para su control y monitoreo, dentro de
ellas encontramos variables las cuales nos muestran en tiempo real los datos que
necesitamos, como son: temperatura, humedad relativa y de iluminación; logrando
también poder controlar dichas variables.
5.3.1.- Panel de Monitoreo
En esta ventana, el operario realiza una visualización del sistema en tiempo real.
Donde se muestran los valores obtenidos por los sensores ubicados dentro del
invernadero, como son la temperatura, la humedad relativa y la luminosidad.
En esta ventana el usuario tiene la opción de elegir entre el modo automático o el
modo manual, el modo manual tiene dos estados que son activado y cerrado, de
modo que cuando se da un click sobre la etiqueta de activado del cuadro de la
calefacción el sistema instantáneamente empieza a marchar de modo manual y se
apagara asiendo un click en la etiqueta de cerrado, en el cuadro auto trabajara de
modo automático según se halla programado.
5.3.2.- Panel de Parámetros
En la ventana de parámetros es donde se colocaran los valores de rango ideal de
temperatura y humedad en el cual se desea que trabaje la planta y la selección de
las casillas las cuales se desea que se active si la temperatura sobrepasa, así como
del horario de riego, ventilación entre otros.
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