Prototipo de sistema automatizado para el cultivo de naranja en ambiente controlado

Javier Manrique Código:11481925754

Universidad Antonio Nariño Programa Ingeniería Mecatrónica Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Biomédica Bogotá, Colombia

2024

Prototipo de sistema automatizado para el cultivo de naranja en ambiente controlado

Javier Alexander Manrique Lopez

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Mecatrónico

Director (a):

Sergio Diaz, PhD

Línea de Investigación:

Sistemas de control automático, agricultura de precisión.

Universidad Antonio Nariño Programa Ingeniería Mecatrónica Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Biomédica Bogotá, Colombia

2024

NOTA DE ACEPTACIÓN

El trabajo de grado titulado _____________________________________, Cumple con los requisitos para optar Al título de ________________________________.

Firma del Tutor

Firma Jurado

Firma Jurado

Bogotá, xx 2024

Contenido

1.

Introducción ..................................................................................................................9

2.

Marco teórico ..............................................................................................................12

2.1.

Cultivos de naranja ............................................................................................... 12 2.1.1. Invernaderos ......................................................................................................... 12 2.1.2. Clasificación de los invernaderos ......................................................................... 13

2.2.

Sensores ................................................................................................................ 14 2.2.1. Sensor térmico y de humedad .............................................................................. 15

2.3.

Actuadores ............................................................................................................ 15 2.3.1. Sistemas de riego. ................................................................................................. 15 2.3.2. Sistemas de ventilación. ....................................................................................... 16 2.3.3. Sistemas de calefacción. ....................................................................................... 16

2.4.

Sistemas de control ............................................................................................... 17 2.4.1. Control de lazo abierto ......................................................................................... 17 2.4.2. Control de lazo cerrado ........................................................................................ 17

3.

Planteamiento de la solución .....................................................................................20

4.1.

Ensamble de un invernadero de naranja a pequeña escala con un sistema de medición y actuadores para controlar la temperatura y humedad relativa ...................... 20 4.1.1. Estructura ............................................................................................................. 20 4.1.2. Sensor ................................................................................................................... 21 4.2.1. Actuadores ............................................................................................................ 22

4.3.

Desarrollo e implementación de un sistema de control PID para el control de la temperatura. ..................................................................................................................... 25

4.3.1. Procedimiento para determinar la función de transferencia del sistema a partir de

datos experimentales. ...................................................................................................... 26

4.4.

Diseño de la PCB e implementación del circuito. ................................................ 28

4.

Resultados y análisis ...................................................................................................29

5.1.

Ensamble de la estructura. .................................................................................... 29

5.2.

Resultados del diseño de control .......................................................................... 31 5.2.1. Control On-Off ..................................................................................................... 31 5.2.2. Control en lazo cerrado ........................................................................................ 31

5.3.

Resultados finales ................................................................................................. 33 5.3.1. Diseño final de la PCB ......................................................................................... 33 5.3.2. Resultados de prototipo de control en el invernadero .......................................... 35

5.

Conclusiones ................................................................................................................37

6.

Referencias ..................................................................................................................38

Lista de Figuras Figura 1. Orientación del invernadero según la posición relativa al sol .......................................................... 13 Figura 2. Esquema de un control PID ............................................................................................................... 17 Figura 3. Esquema de un controlador proporcional ........................................................................................ 18 Figura 4. Esquema de un controlador derivativo ............................................................................................. 18 Figura 5. Esquema de un controlador integral ................................................................................................ 19 Figura 6. Estructura del invernadero de naranja ............................................................................................. 21 Figura 7 Sensor de temperatura y humedad DHT22 ........................................................................................ 21 Figura 8 Bomba karson ksn 30560 ................................................................................................................... 22 Figura 9 de 4 pulgadas a 110 voltios de la marca DRQ ................................................................................... 22 Figura 10 Foco reflector Infrarrojo 250w ......................................................................................................... 23 Figura 11. Esquema de circuito en Proteus para detectar cruce por cero. ...................................................... 23 Figura 12. (a) Señal de entrada de la red pública, en Colombia 120V a 60 Hz. (b) Señal de salida del optoacoplador hacia el microcontrolador. ...................................................................................................... 24 Figura 13. Esquema de circuito para control de voltaje mediante un TRIAC. .................................................. 24 Figura 14. Representación entre el ángulo de disparo y la salida de voltaje. .................................................. 25 Figura 15. Curva de respuesta exponencial en sistemas de primer orden ....................................................... 27 Figura 16. Ensamble del invernadero. ............................................................................................................. 29 Figura 17. Bomba para el control de la humedad en el invernadero. .............................................................. 30 Figura 18. Configuración de los ventiladores en el invernadero ...................................................................... 30 Figura 19. Ubicación de la bombilla en el invernadero. ................................................................................... 31 Figura 20. (a) Salida del sistema (b) Entrada del sistema ................................................................................ 32 Figura 21. Datos experimentales y función de control en variables de desviación .......................................... 32 Figura 22. Respuesta del sistema en lazo cerrado con un cambio escalón ...................................................... 33 Figura 23. Esquema del circuito ....................................................................................................................... 34 Figura 24. Layout del PCB enviado para imprimir............................................................................................ 34 Figura 25. PCB con conexión a la placa Arduino y los actuadores del sistema ................................................ 35 Figura 26. Datos de humedad recolectados en 3 días de toma de datos ........................................................ 36 Figura 27. Datos de temperatura recolectados en 3 días de toma de datos ................................................... 36

Lista de tablas Tabla 1. Ventajas y desventajas de los tipos de invernaderos ......................................................................... 14 Tabla 2. Módulos de sensor de temperatura y humedad ................................................................................ 15 Tabla 3. Resultados de las variables evaluadas en el prototipo de control ..................................................... 35

Resumen

En el siguiente proyecto se tiene como objetivo desarrollar un sistema automatizado que gestione las condiciones de temperatura y humedad en un invernadero para el cultivo de naranja, utilizando un control de lazo cerrado PID (controlador proporcional, integral y derivativo) para la temperatura y un control ON-OFF para la humedad.

El proyecto parte de la necesidad de mitigar los efectos del cambio climático en los cultivos, lo cual afecta significativamente la agricultura tradicional en campo abierto. La automatización se basa en sensores y actuadores que monitorean y ajustan las condiciones del invernadero, garantizando que se mantengan dentro de los rangos óptimos para el cultivo de naranja: temperaturas entre 18°C y 30°C y humedad relativa entre 50% y 60%.

El sistema propuesto utiliza un sensor DHT22 para medir las variables climáticas, ventiladores para controlar la temperatura, una bomba de agua para el riego y una lámpara para ajustar la temperatura en caso necesario. El control PI regula la temperatura de forma continua, mientras que el control ON-OFF gestiona el riego y las activaciones de los ventiladores de manera binaria.

Finalmente, se diseñó y ensambló una placa PCB que integra los componentes del sistema, la cual fue probada en un prototipo a escala. Los resultados mostraron un control adecuado de las condiciones climáticas dentro del invernadero, con desviaciones mínimas respecto a los parámetros esperados, asegurando así un ambiente óptimo para el cultivo de naranjas.

Este proyecto contribuye a la agricultura de precisión, mejorando la eficiencia en el uso de recursos y optimizando la producción de naranjas en Colombia.

Abstract

In the following project, the objective is to develop an automated system that manages the temperature and humidity conditions in a greenhouse for orange cultivation, using a closed-loop PID (Proportional-Integral-Derivative) control for temperature and an ON-OFF control for humidity.

The project arises from the need to mitigate the effects of climate change on crops, which significantly affect traditional open-field agriculture. The automation relies on sensors and actuators that monitor and adjust the conditions in the greenhouse, ensuring that they remain within the optimal ranges for orange cultivation: temperatures between 18°C and 30°C and relative humidity between 50% and 60%.

The proposed system uses a DHT22 sensor to measure climate variables, fans to control temperature, a water pump for irrigation, and a lamp to adjust the temperature when necessary. The PI control continuously regulates the temperature, while the ON-OFF control manages irrigation and fan activations in a binary manner.

Finally, a PCB was designed and assembled that integrates the system components, which was tested in a scaled prototype. The results showed adequate control of the climatic conditions within the greenhouse, with minimal deviations from the expected parameters, thus ensuring an optimal environment for orange cultivation.

This project contributes to precision agriculture, improving resource use efficiency and optimizing orange production in Colombia.

1. Introducción

El cambio climático ha afectado al planeta Tierra y esto se evidencia en los cambios de temperaturas, el descongelamiento de glaciares, aumento de lluvias y tormentas, etc. La variación en el clima es una dificultad para el sector económico, especialmente en la agricultura, en donde los cultivos son susceptibles a estas variaciones, y necesitan de condiciones apropiadas para obtener productos de calidad (Lenscak, 2019). Por esta razón, se crean los cultivos en invernaderos, los cuáles usualmente son diseñados en estructuras de madera, metálicas o incluso plásticas para proteger las siembras contra factores externos como lluvias, animales y plagas. Se debe medir constantemente la humedad de la tierra, PH y la temperatura del lugar para tener condiciones que favorezcan la calidad del producto, no obstante, las mediciones o riegos manuales son imprecisos, por lo que muchos agricultores están optando por automatizar el control de los cultivos. Este avance en los cultivos lo denominan ‘agricultura de precisión’ y consisten en llevar mediante sensores y actuadores el control de las variables más importantes para suministrar mediante el riego la cantidad de agua apropiada dependiendo del fruto (Alvaro Hernán Alarcón López, 2017). Se han encontrado trabajos para el riego de cultivos de Vid y Olivo a partir de sensores capacitivos (Carlos Schugurensky), automatización de cultivos aeropónicos de cilantro (German, 2019).

En múltiples investigaciones y desarrollos, se insta a optar por la agricultura de precisión, siendo que administra de manera eficiente los recursos como el agua, pesticidas y fertilizantes, además de ser un amplio campo de innovación y desarrollo de tecnologías. Un ejemplo es el desarrollo de drones que generan imágenes espectrales 3D usando scanner láser, cámaras espectrales, térmicas y sensores de navegación, con el fin de conocer la morfología de la planta, el índice del área de las hojas y conteo de frutas. Este sistema de monitoreo se aplicó en árboles de manzanas y naranjas, sin embargo, se busca reducir el costo para usar más drones y mapear con varias unidades las áreas de cultivo (Das Jnaneshwar, 2015).

Sobre los cultivos de naranja también se han realizado estudios para detección de enfermedades en hojas, esto se logró mediante adquisición de datos, desarrollo de algoritmos y técnicas de computación (Mayen Uddin Mojumdar, 2021). Los resultados de estos análisis arrojaron una precisión de 82.3%.

En otros casos, se están desarrollando tecnologías para adquisición de datos mediante redes de sensores inalámbricos como ‘Watermark’, la cual se calibró e instaló en diferentes tipos de cultivos para medir la humedad en el suelo, la red registró una precisión de 85% (Tagarakis, 2023). No obstante, existen barreras para esta forma de obtener datos, como son las interferencias, distancias y condiciones ambientales. Se encuentran

recomendaciones como el desarrollo de una red consistente para la comunicación inalámbrica, creación de base de datos y sistemas para protección de datos, creación de interfaces sencillas para visualización de información proveniente de los sensores (Saha Pallabi, 2023).

Sobre esta misma línea, se están desarrollando sistemas de monitoreo basado en IoT, donde se registran mediciones de variables como la temperatura, humedad, nivel de PH, y nutrientes (NPK). Basados en los datos se activan actuadores (Patil Pavan, 2023). Sobre cultivos a pequeña escala funcionó apropiadamente, no obstante, se aplicará sobre cultivos reales de mayor extensión.

Planteamiento del problema El cambio climático puede afectar los cultivos de naranja en Colombia de varias maneras:

● Temperaturas altas: El aumento de las temperaturas puede provocar estrés térmico

en los árboles de naranja, lo que reduce la calidad de la fruta y puede afectar la producción.

● Cambios en las estaciones: El cambio climático puede alterar los patrones

estacionales, lo que puede tener un impacto negativo en el ciclo de crecimiento de los árboles de naranja y en la floración.

● Variabilidad de las lluvias: Las lluvias irregulares o extremas pueden llevar a

problemas de inundación o sequía, lo que afecta el suministro de agua para los árboles de naranja.

Las problemáticas anteriores generan condiciones inestables y dificultades para desarrollar cultivos en campos abiertos. Por esta razón se implementan los cultivos en invernaderos y aplicando el concepto de agricultura de precisión, que se refiere al control de

2 de las variables más importantes para la obtención de frutos sanos y al correcto

aprovechamiento de los recursos, como son el agua y los nutrientes del suelo. A continuación, se relacionan las variables de cultivos, con los niveles óptimos en los cultivos de naranja:

● Temperatura: Los cultivos de cítricos se deben mantener en el rango entre los 27ºC

hasta los 40ºC (Miranda Lasprilla Diego, 2020).

● Humedad relativa: Es fundamental para mantener la planta resistente y libre de

patógenos. Los cultivos de naranja se adaptan a diferentes rangos de humedad que van cercanos al 50% hasta al 60%.

Se busca desarrollar un sistema de control de lazo cerrado PID, que mida las variables en el invernadero y realice una acción para mantener los parámetros dentro de los rangos

recomendados. Adicionalmente, que el agricultor esté en la capacidad de monitorear el estado de estas 2 variables dentro del invernadero.

Justificación Desde 2021 ha aumentado la exportación de este cítrico, ese año se lograron cerrar acuerdos para comercialización de este fruto con 14 países y se estiman exportaciones por al menos 23.000 toneladas. Brasil es el mayor productor de este fruto en América del Sur con 1.120.000 toneladas en 2021, y representó un 85% de la producción de América Latina, apenas seguido por Chile y Argentina.

Colombia está en el grupo de pequeños productores, con apenas 16.700 toneladas producidas en el año 2021, lo que es equivalente al 1,5% de la producción brasileña. Desarrollar un sistema automatizado para controlar las variables en un invernadero, permitirá obtener un producto de mayor calidad, lo que permitirá llegar a acuerdos con otros países. Además de que, en un invernadero, se puede cosechar en cualquier periodo del año. Objetivos Objetivo general Diseñar un prototipo con un sistema de control de lazo cerrado PID, para automatizar un cultivo de naranja en un ambiente controlado Objetivos específicos

1.

Ensamblar invernadero de naranja a pequeña escala, que cuente con el sistema de medición y actuadores sobre las variables a controlar en el proyecto: Humedad y temperatura relativa

2.

Desarrollar e implementar el sistema de control a partir de obtener la función de transferencia y calcular los parámetros Kp, Kd y Ki.

3.

Evaluar el porcentaje de error del sistema en el ambiente controlado

2. Marco teórico

2.1. Cultivos de naranja

La naranja es el fruto del naranjo dulce, un árbol que pertenece al género Citrus de la familia de las rutáceas. Su color naranja le da su nombre, aunque en algunas ocasiones puede ser verdes, y el sabor varía desde el amargo hasta el dulce. Este fruto no es resistente a las altas temperaturas ni a los fuertes vientos, por lo que su producción es escaza y se hace en periodos específicos y en zonas tropicales y subtropicales.

La naranja tiene un amplio rango de lugares para ser cultivado, puesto que la altura en la que se puede obtener va desde los 0 msnm, hasta los 2.100 msnm, no obstante, las mejores condiciones están entre los 1.500 y 1700 msnm. Las zonas de producción en el país se dividen en 6 núcleos que son:

 Costa Atlántica: Atlántico, Magdalena, Cesar, Bolívar  Nor – Oriente: Santander, Norte de Santander, Boyacá  Centro: Cundinamarca, Tolima, Huila  Llanos Orientales: Meta, Casanare  Occidente: Antioquia, Valle del Cauca, Caldas, Risaralda, Quindío  Sur: Cauca, Nariño Según el Instituto Colombiano Agropecuario (ICA), para el año 2022, las exportaciones de naranjas desde Colombia fueron por 2’971.723 kilogramos (Duran, 2022).Desarrollar un sistema inteligente para el control y producción de cultivo de naranja impacta positivamente el desarrollo económico y social de la población que se desempeña en el sector agrícola. A continuación, se relacionan las variables de cultivos, con los niveles óptimos en los cultivos de naranja:

 Temperatura: Los cultivos de cítricos se deben mantener en el rango entre los 18ºC hasta los 30ºC.

 Humedad relativa: Es fundamental para mantener la planta resistente y libre de patógenos. Los cultivos de naranja se adaptan a diferentes rangos de humedad que van cercanos al 50% hasta al 60%.

2.1.1. Invernaderos

Son estructuras formadas a partir de materiales ligeros, resistentes, de bajo volumen, lo que genera poca sombra sobre el cultivo y son fácilmente ajustables. Estas estructuras que aíslan las condiciones externas como la lluvia, fuertes vientos, heladas y plagas que afecta el crecimiento y desarrollo de un cultivo.

La cubierta de la estructura puede ser de vidrio y policarbonatos en los casos mayor inversión; en los invernaderos convencionales de media inversión, se usan cubiertas traslucidas como poli-sombras o plásticos, que permitan el paso de la luz hacia el interior del invernadero.

El invernadero debe tener el espacio suficiente para la planta y para que una persona puede trabajar en ellas. Debe contar con sistemas para el control de la temperatura y de la humedad, Un nivel alto en la humedad causa enfermedades fúngicas (Invasión de hongos), o en el caso contrario, causa estrés en las plantas, lo que afecta el crecimiento.

2.1.2. Clasificación de los invernaderos

La orientación de la estructura depende de la forma y las condiciones climáticas: temperatura, luz solar, lluvia, aire y orografía, conforme a lo mencionado se establece la orientación de la estructura. La Figura 1 ilustra la posición recomendada para un invernadero en base a la posición del sol y el tipo de zona:

Figura 1. Orientación del invernadero según la posición relativa al sol A partir de lo anterior se clasifican los invernaderos de acuerdo a la forma de la estructura y el recubrimiento (Hernandez, 2024). En la Tabla 1, se presentan las ventajas y desventajas de los invernaderos más usados en le agricultura:

Tipo de invernadero Ventajas Desventajas Túnel Alta resistencia a los vientos y de fácil instalación. Tiene un alto grado de paso de luz solar. Apto para materiales de cobertura flexible y rígidos Relativamente pequeño volumen de aire retenido (escasa inercia térmica) en el cual ocurre el fenómeno de inversión térmica.

Solamente recomendado para cultivos de bajo a mediano porte (lechuga, flores, frutillas, etc.).

Capilla Construcción de media a baja complejidad. Utiliza materiales de bajo costo dependiendo de la zona (postes de madera, pinos, eucaliptos, etc.) Apto tanto para materiales de cobertura flexible como rígidos Problema de ventilación con invernaderos en batería. Misma altura cenital, tiene menor volumen encerrado que en invernaderos curvos. Mayores números de elementos que disminuyen la transmisión de luz solar.

Diente de sierra Construcción de media complejidad. Excelente ventilación apropiada por la conformación de baterías. Empleo de materiales de bajo costo.

Mayor capacidad de sombreo por el número de elementos estructurales y menor capacidad de sombreo comparado con el tipo sierra. Elementos de soporte que dificultan los desplazamientos y emplazamientos del cultivo Techumbre curva Estructuras con pocos obstáculos en su estructura. Buena ventilación. Buena estanqueidad a la lluvia y al aire. Permite la instalación de ventilación cenital a sotavento y facilita su accionamiento mecanizado.

Elevado coste. No aprovecha el agua de lluvia.

Parral Es económica su construcción. Gran adaptabilidad para la geometría del terreno. Mayor resistencia al viento. Aprovecha el agua de lluvia en periodos secos. Presenta uniformidad luminosa. Poca existencia de aire. Mala ventilación. La instalación de ventanas cenitales resulta difícil. Envejece rápido la estructura. Difícil mecanización para las labores de cultivo.

“Holandés” Buena estanqueidad, lo que facilita una mejor climatización de los invernaderos. La abundancia de elementos estructurales implica una menor transmisión de luz. Su elevado coste. Naves muy pequeñas debido a la complejidad de su estructura Tabla 1. Ventajas y desventajas de los tipos de invernaderos

2.2. Sensores

Los sensores son dispositivos electrónicos que detectan y miden magnitudes físicas, dentro del sensor, la salida del sensor es una señal eléctrica en forma de voltaje o corriente que cambia con respecto al nivel a la magnitud física medida. Se pueden clasificar según el tipo de magnitud que mide, algunos tipos de sensores son:  De corriente eléctrica  Magnéticos o de radio  De humedad  De velocidad o de flujo de fluidos  De presión  Térmicos  Ópticos  Posición  Químicos

El proyecto se enfoca específicamente en el control de la temperatura y la humedad, por lo que a continuación se especifica el sensor térmico y el de humedad:

2.2.1. Sensor térmico y de humedad

Este sensor permite detectar el porcentaje de vapor de agua presente en el aire y al mismo tiempo miden la temperatura a partir de una señal eléctrica determinada. La señal puede enviarse directamente o mediante un cambio de resistencia. En el mercado existen sensores que pueden registrar ambas variables en un solo módulo, los más comunes, de fácil adquisición y que se tuvieron en cuenta para el desarrollo de este proyecto se presentan en la tabla 2:

Sensor

DHT22

DHT11

HDC1080

Rango temperatura -40°C a 80°C 0°C a 50°C

- 40 °C ~ 125 °C

Precisión temperatura ± 0.5 °C ± 2.0 °C ± 0.2 °C Rango humedad 0% a 99.9% 20% a 95% 0% ~ 100% Precisión humedad ± 2 % ± 4% ± 2% Costo ($)

22.000

8.000

25.000

Tabla 2. Módulos de sensor de temperatura y humedad El módulo DHT22 tiene excelente relación precio-calidad, la precisión y rango se ajustan al alcance de las variables dentro del proyecto.

2.3. Actuadores

Es un dispositivo en la capacidad de transformar la energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con el objetivo de ejecutar una tarea en un sistema automatizado.

2.3.1. Sistemas de riego.

Es la estructura diseñada para la distribución de agua sobre un cultivo agrícola, y que permite satisfacer las necesidades hídricas en los cultivos. Es importante contar con un sistema eficiente que no dé lugar a pérdidas de este recurso lo que puede llegar a causar daños por el exceso de agua, o en el caso contrario, su ausencia también puede tener consecuencias graves sobre el desarrollo del cultivo: Los tipos de riego se describen a continuación:

a. Riego por goteo: La estructura por medio de mangueras y tuberías pasa

por todo el cultivo, a través de goteros, entrega un pequeño volumen de líquido periódicamente a cada una de las plantas.

b. Riego por aspersión: En este sistema el agua llega a las plantas en forma

de lluvia. El fluido impulsado con una bomba para que el agua fluya con alta presión, y una vez alcanza el aspersor, el flujo se rompe para salir al exterior en forma de lluvia.

c. Riego por micro aspersión: Es similar al sistema de aspersión, la

diferencia radica en el tamaño de las gotas, que son más finas.

2.3.2. Sistemas de ventilación.

Son mecanismos diseñados para controlar la temperatura y el flujo de aire dentro de las estructuras de los invernaderos, con el objetivo de proporcionar condiciones adecuadas a los cultivos controlados.

a. Ventilación natural: Sobre el invernadero, se hacen aberturas en la parte

lateral superior para la salida del aire caliente, y en las zonas inferiores laterales para el ingreso del aire frio. Por el efecto de convección, el aire circula desde abajo hacia arriba. Sin embargo, en este sistema no hay control de la velocidad del aire.

b. Ventilación mecánica simple: Consta de la instalación de un par de

ventiladores, el primer ventilador se instala en la parte inferior de una fachada lateral, el otro se instala en la parte superior de la fachada contraria. Cuando se activan, se logra forzar la circulación del aire, reemplazando el aire caliente por el aire frio que ingresa en la parte inferior.

Ventilación mecánica húmeda: Se basa en saturar de humedad el aire de entrada al pasar por paneles húmedos.

2.3.3. Sistemas de calefacción.

La temperatura es un factor importante para el desarrollo de los cultivos es invernaderos, pues una baja temperatura puede retrasar el crecimiento, manchar hojas y follaje, hasta llegar a acabar con la vida de las plantas. El calor se puede aportar de dos maneras:

a. Calefacción por agua caliente: Se usan en invernaderos donde es alta la

diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la estructura, y donde se necesita alta precisión y estabilidad de este parámetro. Se usan generadores de calor en la zona central del invernadero, y tuberías por las que fluye el agua caliente, estas cubren el área del cultivo para distribuir el calor.

b. Calefacción por aire caliente: Se usa en invernaderos donde la diferencia

de calor entre el interior y el exterior es leve. Se usa con generadores que cuentan con un intercambiador de calor, donde el flujo de aire limpio pasa e ingresa al invernadero.

2.4. Sistemas de control

Un sistema de control automatizado es la relación entre sensores y actuadores que son activados, con el objetivo de controlar y regular automáticamente un proceso (Ogata, 2010). Existen dos tipos generales de control.

2.4.1. Control de lazo abierto

En este tipo de control la señal de salida no tiene efecto sobre el proceso que se realza, es decir que la entrada no se compara con la salida, y no hay cambios en la planta que ejecuta las tareas. Por lo general, las señales de entrada se activan y ejecutan por tiempos establecidos, y no responde ante perturbaciones internas o externas.

2.4.2. Control de lazo cerrado

En este tipo de control, los procesos se alimentan con la señal de entrada ‘error de actuación’ y es la diferencia entre la referencia y la salida efectiva del sistema. Dependiendo del error, el sistema se adapta para alcanzar la señal de referencia.  Control PID Este método permite controlar un sistema de lazo cerrado para alcanzar la salida deseada. Está compuesto por la acción proporcional, integral y derivativa. El esquema en la Figura 2, muestra la señal del error, que relaciona la salida con la referencia, los tres tipos de acciones que dan nombre al control PID, y los actuadores del sistema:

Figura 2. Esquema de un control PID En el control con realimentación, la respuesta en el tiempo que se divide en dos componentes:

 Respuesta Transitoria: Se refiere al tiempo en la que la señal parte del estado inicial hacia el estado estable.

 Respuesta en estado estacionario: Se refiere al comportamiento de la señal de salida cuando el tiempo tiende hacia el infinito.

Para caracterizar la respuesta en el tiempo, se debe conocer si la respuesta a la prueba aplicada es de primer o segundo orden. A continuación, se menciona lo que aporta cada componente del control PID  Acción Proporcional: La salida del controlador será proporcional a la magnitud de la señal del error o diferencia entre la señal de referencia y la señal medida en la salida. La figura 3 ilustra el esquema de acción de un controlador proporcional:

Figura 3. Esquema de un controlador proporcional

 Acción Derivativa: Permite obtener al sistema una alta sensibilidad, esto permite al sistema responder a la misma velocidad a la que se presenta un cambio, así evita que el error crezca. La acción derivativa prevé el error y ejecuta una acción oportuna. La figura 4 ilustra el esquema de acción de un controlador derivativo:

Figura 4. Esquema de un controlador derivativo  Acción Integral: Un control proporcional tiene dificultades en el estado estacionario por el offset, que se puede eliminar usando un integrador en la función de transferencia, 1/S. La figura 5 ilustra el esquema de acción de un controlador integral:

Figura 5. Esquema de un controlador integral

3. Planteamiento de la solución

La potencia de los ventiladores y la bombilla pueden controlarse en cualquier momento, no existen restricciones para su uso que puedan dañar los dispositivos, por el otro lado, la bomba tiene restricciones del fabricante para asegurar su correcto funcionamiento y durabilidad. El fabricante sugiere activar la bomba 2 veces al día, por máximo 30 minutos en cada activación.

Teniendo en cuenta la restricción del dispositivo para el control de la humedad, se ha optado por aplicar un control On-Off sobre la bomba y la bombilla. Luego de estos ajustes, el proyecto propone implementar un sistema de control On-Off para las variables de humedad y temperatura (Cuando está última está cerca al límite inferior permitido). Adicionalmente, plantea usar un control PI para la variable de temperatura para no sobrepasar el límite superior y mantener un setpoint, intermedio, teniendo en cuenta el ambiente en el municipio de la Mesa tienden a ser altas, por esta razón se la da prioridad a este escenario.

El proyecto se desarrolló en dos fases:

4.1. Ensamble de un invernadero de naranja a pequeña escala con un sistema de

medición y actuadores para controlar la temperatura y humedad relativa En el ensamble se tiene en cuenta el montaje estructural del invernadero, los sensores y actuadores que se usan para controlar las variables de humedad y temperatura dentro del mismo.

4.1.1. Estructura

La estructura está formada por tubos y uniones de PVC (Cloruro de Polivinilo) y cubierta por polipropileno, para pegar el propileno al marco de PVC se utilizó silicona, Para unir los tubos de PVC con las uniones se utilizó un pegante especial para tubos.

Figura 6. Estructura del invernadero de naranja

Se utilizan estos materiales ya que son versátiles y eficientes, adecuados para una amplia gama de aplicaciones en agricultura, construcción y más. Su combinación de ligereza, resistencia y bajo costo las hace una opción adecuada para lo que se necesita en el proyecto.

4.1.2. Sensor

Figura 7 Sensor de temperatura y humedad DHT22 Para la toma de datos de las variables de temperatura y humedad relativa, se usa el sensor DHT22. Esta entrega una señal digital calibrada por lo que hay fiabilidad en la señal que entrega. El módulo DHT22 tiene excelente relación precio-calidad, la precisión y rango se ajustan al alcance de las variables dentro del proyecto. Se verifica la precisión del sensor tomando muestras usando el IDE de Arduino, al mismo tiempo se toman medidas con un termómetro para el ambiente. Se aplican perturbaciones externas usando ventiladores y bombillas para alterar el equilibrio, las medidas se almacenan y evalúan los tiempos de respuesta y se verifica que el sensor note los cambios.

4.2.1. Actuadores

 Bomba de agua: motobomba karson ksn 30560 es una opción eficiente y compacta, ideal para sistemas de riego en invernaderos a escala. Su diseño permite un flujo de agua adecuado, proporcionando una irrigación constante y uniforme en espacios pequeños. Gracias a su tamaño y potencia, es perfecto para aplicaciones que requieren un control preciso en áreas reducidas, facilitando así el riego y cuidad.

Figura 8 Bomba karson ksn 30560  Ventiladores: 4 ventiladores de 4 pulgadas a 110 voltios de la marca DRQ modelo 120x120x38:

proporciona una corriente de aire continua, ideal para conservar una buena ventilación y controlar tanto la temperatura como la humedad en áreas pequeñas. Su diseño compacto facilita la instalación en espacios ajustados y promueve un flujo de aire eficiente, lo cual es fundamental para recrear condiciones ambientales.

Figura 9 de 4 pulgadas a 110 voltios de la marca DRQ

 Foco: Reflector Infrarrojo 250w:

Emisor de calor que calienta directamente las plantas y el sustrato, creando un microclima cálido, ideal para el crecimiento, al proporcionar calor adicional, se acelera el proceso de fotosíntesis y se mejora el crecimiento de las plantas, especialmente en climas fríos

Figura 10 Foco reflector Infrarrojo 250w

Se diseña un circuito para controlar la potencia que llega a los 3 actuadores (los 3 operan con corriente AC).

Para esto se manipula el ángulo de disparo en el que se permite el paso de la corriente dentro del TRIAC, el cuál actúa como un interruptor. La figura 6 muestra el esquema de circuito que permite determinar los eventos en que la señal AC tiene pasos por cero (Equivalentes a 0º para fines de liberación de la potencia):

Figura 11. Esquema de circuito en Proteus para detectar cruce por cero. El circuito de la figura 6 rectifica la señal AC proveniente de la red pública a través del puente de diodos, para entrar posteriormente al optoacoplador PC817, que genera un pulso

descendiente cada vez que hay un cruce por cero en la señal rectificada. La Figura 7 muestra gráficamente la señal de entrada y la señal de salida que ingresa al microcontrolador.

Figura 12. (a) Señal de entrada de la red pública, en Colombia 120V a 60 Hz. (b) Señal de salida del optoacoplador hacia el microcontrolador.

El periodo de la señal de entrada es de 16.66 ms, por lo que cada cruce por cero ocurre a los 8.33 ms. En el proyecto, la potencia liberada se controla enviando una señal al TRIAC, que, si es cercana a los 0 ms, es equivalente al 100% de la potencia, por el contrario, si la señal se envía cercana a los 8.33 ms, será cercana al 0% de la potencia. La figura 8, es un esquema del circuito que implementa un TRIAC para controlar el disparo de activación:

Figura 13. Esquema de circuito para control de voltaje mediante un TRIAC. Dependiendo del ángulo de disparo, se permite mayor o menor paso de corriente. La figura 9, muestra en las gráficas supriores 2 ángulos diferentes de salida, una a los 30º y la otra a los 120º. Las gráficas abajo se relacionan a las superiores, porque a partir del ángulo de disparo, se permite el paso de corriente hasta el siguiente paso por cero de la señal AC.

Figura 14. Representación entre el ángulo de disparo y la salida de voltaje. En esta figura se relaciona el ángulo de disparo o activación con el voltaje que se desea que llegue al actuador, a menor ángulo de disparo, mayor voltaje. Posteriormente, se diseña un algoritmo de control ON/OFF en el IDE de Arduino, que permite encender o apagar los actuadores dependiendo del valor arbitrario que se dispone en el código, con el fin de verificar el funcionamiento del sensor y de los 3 actuadores que se usaran para el desarrollo del proyecto. El montaje del circuito se hace sobre una protoboard.

4.3. Desarrollo e implementación de un sistema de control PID para el control de

la temperatura.

En este punto se controlan los ventiladores, son los actuadores en el proyecto que permiten reducir la temperatura, y es el punto fundamental debido a que las temperaturas en el municipio de la mesa son significativamente altas y afectan el correcto desarrollo del cultivo de naranja. Por lo tanto, se debe conocer la relación entre el voltaje en el actuador y su efecto sobre la variable de temperatura.

Con la revisión de trabajos similares donde manipulan la variable de temperatura bajo la acción de ventiladores, se estima que la respuesta es de primer orden, y la función de transferencia de la planta o el proceso es de la forma:

𝐺(𝑠) = 𝐾 τs + 1 (1)

Para el control de esta variable, se implementa un sistema de control de lazo cerrado PI, donde la forma de la función de transferencia del controlador : 𝐺𝑐(𝑡) = 𝐾𝐶(𝑒(𝑡) + 1 τ𝑖 ∫𝑒(𝑡) 𝑑𝑡) Está función se maneja en el dominio de la frecuencia (s): 𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝐶(τ𝑖s + 1 τ𝑖s ) (2) La función de transferencia de lazo cerrado del sistema completo que relaciona la planta con el proceso se presenta a continuación:

𝐺𝐶𝐿(𝑠) = 𝐺𝑃(𝑠)𝐺𝑐(𝑠)

1 + 𝐺𝑃(𝑠)𝐺𝑐(𝑠) (3)

Reemplazando las funciones de transferencia de la planta (1) y del controlador en (2) en (3), se obtiene la ecuación característica a lazo cerrado. A continuación, se describen los pasos para determinar la función de transferencia del proceso y del controlador para que se comporte el sistema como un sistema de primer orden.

4.3.1. Procedimiento para determinar la función de transferencia del sistema

a partir de datos experimentales.

A partir de pruebas controladas, datos experimentales y la herramienta Matlab se obtiene la función de transferencia que permite determinar la relación entre el voltaje suministrada a los ventiladores y el cambio en la temperatura del invernadero. Aplicando un cambio-escalón, se registra el cambio de la variable hasta alcanzar un punto estable. Los pasos a seguir se describen a continuación:

a. Cambio escalón: Mientras la variable del sistema se encuentra estable sin

ningún tipo de acción, se suministra el 100% del voltaje en el actuador.

b. Respuesta del sistema: Se obtiene tras aplicar el cambio-escalón en el

sistema. La Figura 11 muestra la respuesta de un sistema de primer orden

Figura 15. Curva de respuesta exponencial en sistemas de primer orden A partir de la respuesta, se definen los parámetros de la ganancia (K) y de la constante de tiempo (τ), de esta manera es posible obtener manualmente la función de transferencia del proceso y que tiene la forma de la ecuación (1).

Para llevar a cabo los cálculos de K y τ, se llevan los datos experimentales a variables de desviación, restando el valor inicial a los valores obtenidos. Posteriormente, K se calcula como:

𝐭≫𝛕 lim 𝑡→∞ 𝐾∆𝑢(1 −𝑒−1 𝑡) = 𝐾∆𝑢(1 −𝑒−∞) = 𝐾∆𝑢(1 −0) = 𝐾∆𝑢

Cuando el tiempo tiende a infinito se alcanza la estabilidad de la variable del sistema; la diferencia entre el valor inicial y el valor final luego de aplicar el cambio de escalón se divide en ∆𝑢 (Es el cambio en el voltaje aplicado, que va desde 0 hasta el 100%), para calcular la ganancia K. Posterior a la ganancia, en la ecuación del lazo abierto se iguala el tiempo con 𝛕 para conocer cuál es el valor de la salida en ese tiempo:

𝐭≫𝛕 𝑦̈ = 𝐾∆𝑢(1 −𝑒−𝑡 τ) = 𝐾∆𝑢(1 −𝑒−1) = 𝐾∆𝑢(1 −0,369) = 0,632(𝐾∆𝑢)

En la tabla de valores experimentales se busca el valor de la salida del producto de:

𝑦̈ = 0,632(𝐾∆𝑢)

Con la ganancia, τ y el tiempo de muestreo (obtenido de los datos experimentales) se reemplazan en la función (4).

𝑦̈ = 𝐾∆𝑢(1 −𝑒−𝑡 τ) (4)

Reemplazando las ecuaciones (1) y (2) en (3), se obtiene la función de transferencia del sistema en lazo cerrado, donde τ𝑖 es el tiempo del componente integral, Kc es la ganancia del control proporcional y la cual se puede manipular para ajustar el funcionamiento del sistema.

𝐺𝑐𝑙(𝑠) = τ𝑖s + 1 τ𝑖τ 𝐾𝐶𝐾𝑆2 + τ𝑖(1 + 𝐾𝐶𝐾) 𝐾𝐶𝐾 𝑆+ 1

(5)

De la ecuación (5), para cumplir el criterio de estabilidad se debe cumplir que:

𝐾𝐶𝐾> 0

Para que el sistema se comporte como un sistema de lazo cerrado de primer orden, se debe cumplir que:

τ𝑖= τ

La ecuación obtenida se evalúa el Matlab y se simula la respuesta del sistema. Según el procedimiento, se obtendrá un sistema de segundo orden, sin embargo, uno de los dos polos se cancela con el cero de arriba dejando el sistema de lazo cerrado con el comportamiento de un sistema de primer orden.

4.4. Diseño de la PCB e implementación del circuito.

Se diseña un circuito impreso THT para conectar los componentes electrónicos de control y de voltaje que permiten el correcto funcionamiento del sistema. En el interfaz de Proteus Professional 8.12 de diseña el esquemático y el diseño de la PCB. Los componentes se instalan con soldadura en el circuito impreso para ser instalado posteriormente en el invernadero y comprobar el funcionamiento del sistema. Se toman datos por 2 días y 2 noches para verificar el comportamiento de las variables de humedad y temperatura, y medir el promedio de estas variables. Los datos se registran cada 20 minutos, quiere decir que, para 48 horas, se recolectarán 144 datos de temperatura y humedad.

4. Resultados y análisis

El siguiente apartado muestran los resultados obtenidos siguiendo el orden en la metodología propuesta.

5.1. Ensamble de la estructura.

Las medidas finales del invernadero son: Alto 1.5 m Ancho 0,75 m Largo 1.8 m, el cual se montó con tubos de PVC “. El plástico que lo recubre es de polipropileno el cual permite aislar las condiciones exteriores a las internas del invernadero. La figura 12 muestra la forma final del invernadero:

Figura 16. Ensamble del invernadero.

El sensor de instaló a media altura en un costado del invernadero, lo que permitió obtener una medición promedio de las variables de temperatura y humedad. La bomba se instaló a la altura del suelo y se puede suministrar hasta 20 l/min. Su modo de activación de acuerdo al modelo es 30 minutos, 2 veces al día. La bomba se aprecia en la figura 13.

Figura 17. Bomba para el control de la humedad en el invernadero. Se instalaron 4 ventiladores, cada pareja de ventiladores se ubicó en una cara opuesta. Por convección, el aire frío que es más denso se encuentra en la parte baja del ambiente, por la acción del ventilador ingresa hacia el interior del invernadero este circula hasta aumentar su temperatura y disminuir su densidad. El aire menos denso se expulsa por la acción del otro par de ventiladores en la parte superior. Las disposiciones de estos actuadores se aprecian en la figura 19:

Figura 18. Configuración de los ventiladores en el invernadero

La figura 15 permite ver desde afuera la ubicación de la bombilla en la parte superior del invernadero, esta al igual que los demás actuadores trabaja con 120 VAC

Figura 19. Ubicación de la bombilla en el invernadero.

5.2. Resultados del diseño de control

5.2.1. Control On-Off

El control On-Off se diseñó en base a las mediciones de temperatura y humedad arrojadas por el sensor DHT22, las activaciones fueron controladas con condicionales If. A continuación, se muestran los parámetros que ponen en funcionamiento los actuadores.

a. La bombilla se activa cuando la temperatura es menor a 27ºC

b. La bomba se activa a las 7 am y a las 10 pm, horas de baja temperatura,

que permiten a la planta absorber el fluido y prepararse para las altas temperaturas.

5.2.2. Control en lazo cerrado

A partir de los datos experimentales obtenidos de aplicar el Cambio-Escalón sobre el sistema de ventilación, los datos se graficaron en Matlab obteniendo la figura 21 que se aprecia a continuación

Figura 20. (a) Salida del sistema (b) Entrada del sistema La primera gráfica de la figura 16 muestra la variación de la temperatura cuando se aplica el cambio escalón sobre el sistema, que se refleja en la segunda gráfica. En esta se observa que el punto de equilibrio se alcanza a los 370 segundos aproximadamente. Los datos experimentales se pasaron a variables de desviación (α) con los que se obtuvo la gráfica 17, y de la cual fue posible obtener la ganancia (K) y (τ).

Figura 21. Datos experimentales y función de control en variables de desviación (α)

De la gráfica en la figura 17 y el proceso descrito en la metodología, se obtiene el valor de la ganancia K equivalente a -0,14 y τ igual a 113,37 segundos. La función de transferencia de la planta obtenida es:

𝐺(𝑠) = −

0,14

113,37s + 1

Para asegurar la estabilidad de la respuesta de control, KKc > 0, la ganancia K del lazo abierto es igual a -0,14, por lo que a Kc que la ganancia proporcional se le asigna el valor de -1 para cumplir con el criterio de estabilidad. Realizando el producto entre la función de transferencia de la planta con la componente integral, como se describió en la metodología en la ecuación (5), se obtiene la función en el lazo cerrado para el sistema:

𝐺(𝑠) =

113.4 𝑠 + 1

9.182𝑒04 𝑠2 + 923.2 𝑠 + 1

La respuesta de este sistema se aprecia en la figura 18 a continuación:

Figura 22. Respuesta del sistema en lazo cerrado con un cambio escalón

5.3. Resultados finales

5.3.1. Diseño final de la PCB

El sistema se controla con una placa de Arduino Uno, esta se encarga de recibir los datos del sensor y controlar el voltaje de salida hacia los actuadores. El esquema del circuito se presenta en la figura 24. En el esquema se aprecia la conexión del sensor; el ‘contador de ceros’ para controlar el ángulo de salida para el manejo del voltaje. De igual manera se observan las salidas desde la placa Arduino hasta los actuadores, la salida va a los opto acopladores MOC3021 que protegen el circuito de control de voltaje.

Figura 23. Esquema del circuito La figura 20 muestra el Layout de la PCB y fue el resultado final, se mantuvo en una sola capa y en un tamaño de 10 x 10 cm a pesa de tener el espacio para la placa Arduino UNO.

Figura 24. Layout del PCB enviado para imprimir El circuito final e instalado sobre el invernadero se aprecia en la figura 21, muestra con los componentes de control, voltaje y las conexiones de la placa Arduino y los cables provenientes de los actuadores.

Figura 25. PCB con conexión a la placa Arduino y los actuadores del sistema

5.3.2. Resultados de prototipo de control en el invernadero

El setpoint para el control PI se ubicó en 30ºC, la temperatura mínima fueron 27ºC y la humedad debía estar entre 55 y 60 %. Se registraron 144 datos de temperatura e igual cantidad de datos de humedad en el periodo de 2 días (Equivalente a 1 registro de datos cada

20 minutos). Los resultados obtenidos se presentan en la siguiente tabla

Temperatura (ºC) Humedad (%) Promedio

31,33

45,44

Desviación estándar +/- 2,32 +/- 5,04 Tabla 3. Resultados de las variables evaluadas en el prototipo de control

La tabla 3 presenta el valor promedio para las 2 variables durante los 3 días de toma de datos, en la tabla también se calcula la desviación estándar para cada una. Las figuras 22 y 23 son la representación gráfica de los datos obtenidos durante este periodo de tiempo de 3 días.

Figura 26. Datos de humedad recolectados en 3 días de toma de datos

En las grafico de humedad, las líneas gris y roja denotan el rango en que debe oscilar la variable de humedad, no obstante, la mayor parte del tiempo estuvo fuera del rango. Por otro lado, el setpoint de temperatura en la figura 23, se representa con una line roja, como se aprecia a continuación.

Figura 27. Datos de temperatura recolectados en 3 días de toma de datos Para la temperatura se calculó el % de error, que se planteo de la siguiente manera, siendo el valor esperado el del setpoint.(30 ºC) :

0

10

20

30

40

50

60

70

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

% HUMEDAD

TIEMPO (MINUTOS)

Humedad

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

TEMPERATURA ºC

TIEMPO (MINUTOS)

Temperatura

%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟= |30 −31,33

31,33

| 𝑥100 = 4,24% Para calcular el desempeño de la humedad, se calculó el tiempo en rango de los datos obtenidos, para esta variable, se toman en cuenta los valores que estuvieron entre el 50% y 60%. De los 144 datos, solo 30 estuviero dentro del rango:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛 𝑅𝑎𝑛𝑔𝑜= 100 ∗30

144

= 20,83%

5. Conclusiones

a. Se logró diseñar un prototipo con un sistema de control de lazo cerrado PI que

automatiza un cultivo de naranja en un ambiente controlado, demostrando la viabilidad de la automatización en la agricultura de precisión. El ensamble del invernadero a pequeña escala y la integración de sensores y actuadores permitieron controlar la humedad y la temperatura relativa. Se puede mejorar la humedad si se agregan más ciclos de riego durante el día para poder reducir el porcentaje de error en la humedad

b. La selección de materiales para el invernadero juega un papel importante para

controlar el voltaje de los actuadores. Usar cobertores o recubrimientos que permitan mayor flujo de aire desde el exterior en zonas de altas temperaturas, permitirá mantener temperaturas un poco más bajas, lo que conlleva a un menor uso de voltaje para que los actuadores alcancen el setpoint.

c. Determinar el sistema de control a partir de datos experimentales reduce el tiempo y

análisis del sistema, haciendo uso de herramientas como Matlab, es posible obtener las funciones de transferencia en lazo cerrado y graficar la respuesta en un cambio escalón.

d. El Control de temperatura PID y el de humedad por control On-Off, interfieren el

uno con el otro cuando se trata de mantener la temperatura en un nivel bajo, porque

cuando se activa el ventilador, la humedad se reduce, y conduce a la activación de la bomba.

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