UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial Informe Título: Sistema de monitoreo y control automático de riego Carrera: Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Área Académica: Comunicaciones Línea de Investigación: Ciclo Académico y Paralelo: Octavo “A” Alumnos participantes: David Acurio Diana Garcés Paul Freire Esteven Pérez Módulo y Docentes Comunicaciones Moviles Ing. Juan Pablo Pallo UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 1.1 Título Sistema de riego por goteo automático utilizando una red de sensores inalámbricos 1.2 Objetivos Objetivo General Desarrollar un prototipo de un sistema de riego por goteo automático utilizando una red de sensores inalámbricos Objetivo Específicos Diseñar una estructura base para la implementación del prototipo. Implementar el prototipo constituido por un nodo maestro y nodos esclavos Simular el sistema de Riego de manera automática un jardín haciendo uso del prototipo. 1.3 Resumen El agua es el elemento esencial para aprovechar el potencial de la tierra ya que su empleo y gestión constituyen un factor fundamental en la obtención de un cuidado adecuado de las plantas. Los sistemas de riego hacen más fácil el proceso de hidratación del suelo controlando la cantidad y hora en que se debe realizar dicha tarea. En este trabajo, se presenta el desarrollo de un sistema de gestión inteligente de riego por goteo utilizando una red se sensores inalámbricos que se comunican a través del protocolo MQTT conjuntamente con ESP-NOW. El sistema está conformado por nodos esclavos que se encargan de medir las condiciones básicas del suelo mediante sensores de humedad los cuales envían la información al nodo principal mediante el protocolo ESP-NOW. El nodo principal es el encargado de activar la electroválvula, enviando mediante el protocolo MQTT el nivel de humedad del suelo que puede ser visualizado en una aplicación instalada en el dispositivo móvil del usuario. Además, la información se almacena en una base de datos MariaDB alojada en un servidor local. 1.4 Palabras clave: Sistema de Riego, sensor de humedad, MQTT, ESPE-NO 1.5 Introducción UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 En la actualidad existen diversos sistemas de programación de riego, no obstante, la mayoría de ellos se basan en un temporizador programable para repetir el proceso n veces al día durante un tiempo predeterminado. se enfoca en la poca disponibilidad que tienen las personas para mantener hidratados los cultivos o jardines domésticos, es decir, evitar que sufran deterioro por falta de hidratación. Consientes que a muchas personas, les agrada el hecho de realizar sus propios cultivos, con plantas ornamentales en jardines o crear huertos para la siembra de hortalizas, esto permite que las personas bajen el nivel de stress y consigan mejorar la salud. Sin embargo, el mantenimiento se torna un problema cuando de regar las plantas se trata, hay quienes deciden contratar personas para el cuidado de sus jardines, otros, ceden tiempo para cuidar sus cultivos, pero no mantienen constancia y termina fallando el control y cuidado de los mismos. Igualmente, estos sistemas de riego no cambiarán su programación si ese día llueve, desperdiciando así una cantidad valiosa de agua y siendo bastante ineficiente en el uso de recursos, lo que hace que al final se tenga que estar ajustando el sistema de riego según el clima o la estación del año. Por lo tanto, estos sistemas de riego autónomos no lo son tanto y requieren del usuario cierto nivel de atención, podríamos llamarlos sistemas de riego semiautónomos. El coste de automatización, es una de las principales motivaciones para desarrollar el proyecto. A esto se le añade el uso de NodemMcu, la cual contribuye a la economía por tener precisos accesibles, la implementación de los sistemas de control, brindan flexibilidad de crear programas a medida, para manejar datos, en comparación con otras plataformas. El objetivo del presente proyecto es el desarrollo de un sistema de riego autónomo y económico, basado en una red sensores que determinen el nivel de humedad del suelo con un área de cobertura de 50 cm por cada sensor conectado en cada nodo, permitiendo conectar varios de ellos para poder controlar la humedad de toda la zona a regar. La aplicación que se le presenta al usuario permite dos modos automático y manual que permiten al usuario tomar dicciones en base a los datos obtenido por la red de sensores lo que hace que se un sistemático y amigable con el usuario. 1.6 Materiales y Metodología Sensor de humedad UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Dispositivo de salida Relé NodemMCU UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Panel Solar Metodología Riego por goteo El riego por goteo o riego gota a gota es un método de irrigación que permite una óptima aplicación de agua y abonos en los sistemas agrícolas de las zonas áridas. El agua aplicada se infiltra en el suelo irrigando directamente la zona de influencia radicular a través de un sistema de tuberías y emisores. Goteros autocompensantes Estos emisores ofrecen un caudal fijo dentro de un rango más o menos amplio de presión. La utilidad de estos goteros radica en la capacidad de homogeneización del riego a lo largo de una UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 línea de riego, ya que los últimos emisores de la línea normalmente tienen una menor presión que los primeros debido a la caída de presión por rozamiento del agua con la tubería. Goteros antidrenantes Estos goteros se cierran automáticamente al bajar la presión en el sistema de riego, de manera que no ocurre la descarga de la tubería, lo que produce ventajas tales como evitar la entrada de aire al sistema y la bomba de riego no necesita cargar el sistema para empezar a funcionar, por tanto, optimiza su uso Goteros regulables Permiten regular el caudal con un mando mecánico. SERVIDOR LAMP: Es el acrónimo para Linux, Apache, MySQL y PHP. Es el conjunto de tecnologías sobre la cual se ejecuta la mayor parte del Internet. Respectivamente son: un sistema operativo, un servidor HTTP, una base de datos y un lenguaje de programación y preprocesador. [1] Ilustración 1 Servidor LAMP LINUX: Linux es la denominación de un sistema operativo tipo-Unix y el nombre de un núcleo (kernel). Juntos constituyen uno de los paradigma más prominentes del software libre y del desarrollo del código abierto, cuyo código fuente está disponible públicamente, para que cualquier persona pueda libremente usarlo, estudiarlo, redistribuirlo y, con los conocimientos informáticos adecuados, modificarlo. UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 APACHE: Apache es un software de servidor web gratuito y de código abierto con el cual se ejecutan el 46% de los sitios web de todo el mundo. El nombre oficial es Apache HTTP Server, y es mantenido y desarrollado por la Apache Software Foundation. Ilustración 3 Apache MYSQL: MySQL es un sistema de gestión de base de datos relacional. Este gestor de base de datos en multihilo y multiusuario, lo que le permite ser utilizado por varias personas al mismo tiempo, e incluso, realizar varias consultas a la vez, lo que lo hace sumamente versátil. Ilustración 4 MySQL PHP: PHP identifica a un lenguaje de programación que nació como Personal Home Page (PHP) Tools. Fue desarrollado por el programador de origen danés Rasmus Lerdorf en 1994 con el propósito de facilitar el diseño de páginas web de carácter dinámico. Ilustración 5 LOGO PHP MQTT UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Este protocolo está orientado a la comunicación de sensores, debido a que consume muy poco ancho de banda y puede ser utilizado en la mayoría de los dispositivos empotrados con pocos recursos La comunicación se basa en unos "topics" (temas), que el cliente que publica el mensaje crea y los nodos que deseen recibirlo deben subscribirse a él. La comunicación puede ser de uno a uno, o de uno a muchos. Un "topic" se representa mediante una cadena y tiene una estructura jerárquica. ESP-NOW Es otro protocolo desarrollado por Espressif, que permite que múltiples dispositivos se comuniquen entre sí sin usar Wi-Fi. El protocolo es similar a la conectividad inalámbrica de 2,4 GHz de baja potencia que a menudo se implementa en ratones inalámbricos. Por lo tanto, el emparejamiento entre dispositivos es necesario antes de su comunicación. Una vez que se realiza el emparejamiento, la conexión es segura y de igual a igual, sin necesidad de un apretón de manos. DESARROLLO DESCRIPCION DEL SISTEMA En este prototipo de sistema de riego inteligente de ha desarrollado el código necesario para permitir la comunicación entre dos NodemMcu, usando una arquitectura maestro esclavo, donde el maestro pedirá la información recogida por sus sensores de humedad, este deberá enviar el dato mediante el protocolo MQTT y posterior el maestro enviará una orden para activar o desactivar la electroválvula. COMUNICACIÓN INALAMBRICA En este proyecto la comunicación es simple es decir la información viaja en un solo sentido en envió de información del nodo esclavo hacia el nodo maestro Para la transmisión de datos de manera inalámbrica se a realizado con dos módulos NodemMcu UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Nodo Sensor El nodo sensor consta de un conjunto de tres sensores de humedad con un área de cobertura de 150 cm en total que enviran los niveles de humedad promedia al nodo maestreo para la toma de decisiones SENSOR 1 50 CM 50 CM SENSOR 1 50CM SENSOR 1 NODO MAESTRO El maestro es encargado de pedir la información necesaria al esclavo para posteriormente poner en funcionamiento a los actuadores UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Diagrama de flujo del Sistema de riego por goteo automático utilizando una red de sensores inalámbricos Maestro Esperado cada 10 s Recibio ? No SI % HUMEDAD <= a 35 % % HUMEDAD > a 35 % SI SI ABRIR LA ELECTROVALVULA Programación de la red de sensores Nodo Principal CERRAR LA ELECTROVALVULA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Configuración de variables y conexión al servidor para la aplicación en Mqtt dasboard Void loop llama el método de recion de datos de los nodos actuadores Método para la Recepción de los datos de los nodos actuadores UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Nodo Actuador Variables para la captación de tres sensores de humedad UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Descripción de los pines Método para la captación de loa datos de humedad cada 2 minutos Método de descanso del sensor actuador para economizar la energía almacenada en el loop UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 INSTALACION DEL SERVIDOR LAMP Se instala el sistema operativo Rasbian en la Raspberry Pi, después se procede a instalar el servidor LAMP, en el terminal se ejecutan los siguientes comandos: Instalación de apache: sudo apt -get update sudo apt -get install apache2 Ilustración 6 Instalación Apache Instalación de MySQL: sudo apt-get install mysql-server sudo mysql_secure_installation Instalación de PHP: sudo apt-get install libapache2-mod-php7.0 php7.0 UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Ilustración 7 Instalación PHP Instalación de PhpMyAdmin: sudo apt-get install phpmyadmin sudo service apache2 restart Ilustración 8 Instalación PhpMyAdmin Implementación Nodo Esclavo En el nodo sensor se ha sido necesario la implementación de un circuito regulador de voltaje conectado a un panel solar que alimenta al NodemMcu y los tres sensores de humedad UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Nodo maestro El nodo maestro costa de un módulo de relés que se conecta a la NodemMcu para el control de la electroválvula para da paso al agua que esta empujada por la bomba de agua Presupuesto UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Descripción Cantidad Coste Unitario Coste total NodemMcu 4 8 32 Módulo de Relés 1 7 7 Bomba de Agua 1 10 10 Panel Sola 2 7 14 de 6 2 12 2 2 de 30 por metro 2 metrso 0.60 de 2 3 6 de 4 1 4 Sensores humedad Paquete de cables Tubo 1 manguera Regulador voltaje Conectores mangueras Electroválvula 1 12 12 Caja plástica 2 1 2 Rasberry 1 60 60 Total 161.6 Resultados y Discusión El presente sistemas de riego automático controlado por un nodo principal, el cual trabaja con una aplicación móvil donde se procesan los datos capturados por el sensor de humedad notificando, sí el suelo requiere o no hidratarse. Se realizaron varias pruebas, la primera versión, se probó por un periodo de tres meses comprobándose que las lecturas recogidas en el transcurso de este tiempo era irregulares, por lo que se a calibrado los sensores de tal manera que el sistema, puedan ser más exactos , llegando asi a una segunda versión del prototipo , en el transcurso de un mes se observó que los valores captados son más estables donde no se producida resequedad del suelo , ni la sobre hidratación del mismo, donde se verifico el sistema en el conjunto SAN DIEGO cumpliendo el objetivo propuesto Rango de la red de Sensores Sensor Activar riego Desactivar riego Humedad % HUMEDAD <= a 35 % % HUMEDAD >= 35 % UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 Escenario 1: El sensor de humedad actúa sobre el suelo en tierra mojada Se posicionó el sensor de humedad en el jardín del conjunto San Diego en tierra mojada. Se comprobó vía comunicación inalámbrica arrojaban valores en un rango superior al 35 %, se comprobó los valores que se mostraban en la pantalla y se determinó que no se activaba la válvula de agua por las condiciones de humedad alta, tal como se muestra en la tabla Prueba del escenario uno del conjunto San Diego Datos de la red de Datos mostrados en la Electroválvula sensores aplicación móvil 99 99% OFF 90 90% OFF 80 80 % OFF 75 75% OFF 65 65% OFF Escenario 2 El sensor de humedad actúa en tierra seca Se posicionó el sensor de humedad en un área del césped del conjunto San Diego con tierra seca. Se comprobó desde comunicación inalámbrica de la red de sensores, los valores que se recibían en el nodo principal, eran los mismos valores que se mostraban en la pantalla y se determinó que se activaba la válvula de agua bajo la condición de humedad baja menor al 35% Prueba del escenario uno del conjunto San Diego Datos de la red de Datos mostrados en la Electroválvula sensores aplicación móvil 10 10% ON 15 15% ON 25 25% ON 30 30% ON 34 34% ON 1.7 Conclusiones La implementación del sistema ayuda a optimizar el tiempo y la forma de realizar el riego en el conjunto San Diego, además se considera sencillo el manejo del mismo. Debido a los resultados obtenidos en las pruebas del sistema UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019 de riego, se puede comprobar que el mismo funciona en tiempo real, debido a que el intervalo en envío y recepción de los mensajes está en función del tiempo esperado de aproximadamente 7 segundos. El funcionamiento de los sensores de humedad es aceptable, la entrega de valores es aproximado a los que normalmente entregan los sensores de alta precisión. Comprobando el control del riego se puede realizar de manera automática en tiempo real, mediante el uso la aplicación con los valores estándar seguidamente del riego, tal como se demostró en el funcionamiento del sistema 1.8 Referencias bibliográficas [1] H. V. I. Vinicio, "MPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO DE RIEGO PARA INVERNADEROS MEDIANTE TECNOLOGÍA," UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA ISRAEL, QUITO- ECUADOR, 2019. [2] C. d. C. d. t. e. Mundo, "Conocemos de Culturas de todo el Mundo," Conocemos de Culturas de todo el Mundo, 17 10 2018. [Online]. Available: sistema sería fácilmente adaptable para controlar distintas zonas. [Accessed 19 11 2019]. [3] J. I. D. Diaz, "Sistema electrónico para el control automatico," Universidad de Sevilla Escuela superior de ingenieros , Sevilla , 2018. 2.10. Fotografías y gráficos UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: MARZO -AGOSTO 2019
