Automatic
System for Domestic Hydroponic Crops, through the Measurement of Inorganic
Ions.
Franklin
Geovanni Moreno Montenegro.[1], Pablo Montejo
Recibido: 10-=
02-2018
/ Revisado: 27-02-2019 /Ac=
eptado:
25-03-2019/ Publicado: 05-04-2019=
Abstract DOI: =
https://doi.org/10.33262/cie=
nciadigital.v9i2.409
This project refers to the design and implementati=
on
of an instrument to monitor in an Android App, the inorganic hydrogen ions,
through the measurement of pH, Electroconductivity (EC) and Total Dissolved
Solids (TDS), present in the nutritious substance of hydroponic crops and, =
if
necessary, correct the pH by means of an automatic system.
Free hardware platforms were used, because they we=
re
low cost and user friendly. The design is modular due to flexibility,
reorganization and construction time.
It consists of five blocks, the first block is an
Arduino, responsible for all the control of the system, the second block are
sensors that deliver an appropriate signal to Arduino, the third block disp=
lays
the readings in TFT and stores them in a micro SD, the fourth block has the
ability to connect to a Wi-Fi wireless network and through this, access the=
Web
to send the readings to an App on a smartphone, the fifth block controls the
dosage of acid or basic substance to balance the value of pH.
The read stability of the sensors was checked, the
Wi-Fi connection works properly and the readings of these parameters are
observed in the cell phone App. It is a device developed with easy-to-purch=
ase
components that offers advantages over similar commercial products.
Keywords: Ph, Electroconductivity, Total Dissolved Solids, =
Hydroponics
Control, Arduino, Atlas Scientific, NODEMCU.
Resumen. =
El
presente proyecto hace alusión al diseńo e implementación de un instrumento
para monitorizar en una App de Android, los iones inorgánicos de hidrogeno,=
a
través de la medida de pH, Electroconductividad=
(EC)
y Total de Solidos Disueltos (TDS), presentes en la substancia nutritiva de
cultivos hidropónicos y de ser el caso, corregir el pH por medio de un sist=
ema
automático.
Se
utilizó plataformas de hardware libre, por ser de bajo costo y amigables co=
n el
usuario. El diseńo es modular por flexibilidad, reorganización y tiempo de
construcción.
Consta
de cinco bloques, el primer bloque es un Arduino, encargado de todo el cont=
rol
del sistema, el segundo bloque son sensores que entregan una seńal apropiad=
a a
Arduino, el tercer bloque visualiza las lecturas en TFT y las almacena en u=
na
micro SD, el cuarto bloque tiene la capacidad de conectarse a una red
inalámbrica Wi-Fi y a través de esta, acceder a la Web para enviar las lectura=
s a
una App en un teléfono inteligente, el quinto bloque controla la dosificaci=
ón
de sustancia acida o básica para equilibrar el valor de pH.
Se
comprobó la estabilidad de lectura de los sensores, la conexión Wi-Fi se desempeńa adecuadamente y se observan las le=
cturas
de estos parámetros en la App del teléfono celular. Es un dispositivo
desarrollado con componentes de fácil adquisición que brinda ventajas sobre
productos comerciales similares.
Palabras claves: Ph, Electroconductividad,= Total de Solidos Disueltos, Control en Hidroponía, Arduino, Atlas Scientific, NODEMCU.<= o:p>
Introducción.
La hidroponía es una técnica para cult=
ivar
Al no expone=
r la
raíz a la contaminación de los suelos, existe mayor limpieza e higiene en el
manejo del cultivo, quedando libre de parásitos, bacterias, hongos y
contaminación.
En el Ecuado=
r la
hidroponía está en desarrollo y algunas universidades la utilizan como camp=
o de
investigación. Pocas empresas privadas están dedicadas a esta actividad,
desarrollando métodos de cultivos hidropónicos para la producción de ciertos
tipos de vegetales.
Los antecedentes mencionados promueven=
la incorporación
de modernas técnicas de cultivo utilizando herramientas tecnológicas que
permitan la medición, el monitoreo y el control de las variables físicas del
sustrato nutritivo, para mantenerlo propicio y sostener condiciones idóneas=
de
cultivo.
Estas herramientas tecnológicas deben =
ser
amigables con el usuario, de operación sencilla, con pantalla a colores para
destacar cada uno de los parámetros, poseer conectividad para visualizar en=
un
Smartphone los datos que reportan los sensores, además de poder almacenar l=
as
lecturas y controlar eventos en el cultivo.
En el mercado existen equipos capaces =
de
medir pH, conductividad eléctrica (EC), total de sólidos disueltos (TDS),
poseer alarmas, tener gestión a través de PC, controlar el riego, la
fertilización, y monitorización a través de comunicación inalámbrica por vía
RF, bluetooth, zigbee, WIFI, GSM, e incluso
conectarse a la Web, para almacenar datos y/o monitorear el proceso que
implican los cultivos.
Estos equipos electrónicos son una
poderosa herramienta de telegestión, pero costo=
sos y
están lejos del alcance para algunos usuarios
Por lo antes indicado, el problema científico de esta investigación cons=
iste
en la necesidad de desarrollar un equipo electrónico para controlar la calidad de la solución nutriente de cultivos hidropónicos.
De aquí que =
el objeto
de la investigación converge en el estudio de equipos electrónicos con comunicación inalámbr=
ica para
garantizar la adecuada calidad del agua de cultivos hidropónicos. El campo de la investigación
está enmarcado en la medición de los parámetros en la solución nutriente=
para
cultivos hidropónicos.
El objetivo de esta investigación=
es
diseńar, implementar y validar un prototipo de equipo electrónico con comunicación inalámbric=
a WiFi que mida el pH, la EC y el T=
DS, y controle el valor del pH para mantenerlo en el rango de 5.5 a 6.=
5 que
requieren los cultivos hidropónicos.
La presente
investigación define como hipótesis: es posible diseńar e implementa=
r un
prototipo de equipo electrónico para
cultivos hidropónicos con comunicación inalámbrica WiFi,
confiable y de bajo costo<=
/span>,
basado en una plataforma de hardware libre Arduino y
sensores para medir el pH,=
la EC
y el TDS, que mediante =
un actuador
controle niveles del pH, muestre en un TFT y en una
aplicación para dispositivo móvil, los valores obtenidos por los sensores
&nbs=
p;
I. &nb=
sp;
ARQUITECTURA
DEL SISTEMA
La figura 1. Muestra los bloques que conforma=
n el
hardware del equipo, se
identifica las entradas y las salidas.
MICROCONTROLADOR FUENTE DC SENSOR pH CONEXION INALAMBRICA RELOJ SENSOR EC BLOQUE DE POTENCIA DISPLAY BLOQUE SENSOR SENSOR TDS MICRO SD SMART PHONE
Figura 1.- Diagrama de bloques del equipo <=
/span>electrónico.
Particularicemos la función de cada bloque que conforma el equipo:
ˇ
Fuente DC energiza todo el sistema electrónico.
ˇ
El bloque MICROPROCESADOR es e=
l encargado de leer la seńal prove=
niente
de los sensores, esta lectura se procesa en el software residente en su mem=
oria
y se transfiere a los bloques respectivos.
ˇ
Bloque de SENSORES está conformado por los sensore=
s de
pH, conductividad eléctrica (EC) y total de solidos disueltos (TDS),
proporcionan una seńal eléctrica en dependencia de la medida de estos
parámetros, y la envía al microcontrolador.
ˇ
Bloque DISPLAY es el dispositivo donde se visualiz=
an
los datos medidos.
ˇ
El bloque MICRO SD almacena las lecturas provenien=
tes
de los sensores.
ˇ
El BLOQUE DE POTENCIA es el encargado de activar un
relé para controlar la bomba que ańadirá la substancia para nivelar el valo=
r de
pH.
ˇ
Bloque de CONEXION INALÁMBRICA conecta el equipo a=
través
de WiFi a la WEB para visualizar las lecturas e=
n una
aplicación App basada en Android.
ˇ
El bloque RELOJ es un reloj del cual se obtienen la
fecha y la hora, esta información será ańadida a cada lectura realizada por=
los
sensores.
Para la elección de los dispositivos se considera que sean compatibl=
es
con plataformas de código abierto, por su relativa sencillez de programació=
n y
sobre todo por la información existente. Se escogieron
dispositivos con facilidad de configuración, bajo consumo de energía, baja
disipación de potencia y bajo costo.
=
&nbs=
p;
II. &n=
bsp;
Funcionalidad
de la arquitectura del sistema.
En la figura 2. Puede observarse él diseńo con los respectivos eleme=
ntos
electrónicos escogidos para solventar cada una de las funciones propuestas =
para
el equipo.
Figura 2.- Diagrama
modular del sistema electrónico propuesto.
Realizado el diseńo=
de
la arquitectura por bloques y seleccionados los dispositivos que integran el
prototipo, se realizan las conexiones cuyo diagrama se presenta en la figur=
a 3.
Figura 3.-.
Circuito del Prototipo.
III. =
;
DISEŃO
DE SOFTWARE
Se utiliz=
ó el
entorno de programación de Arduino por la potencialidad que tiene, sus
herramientas software y librerías necesarias para configurar y controlar los
diferentes dispositivos hardware externos.
Para la
monitorización remota se utilizo Blynk que
es un creador de aplicaciones para placas de desarrollo como Arduino, ESP82=
66,
y otras plataformas. Nos brinda la posibilidad de construir un tablero digi=
tal
arrastrando múltiples Widgets interconectados que pueden comuni=
carse
directamente con la placa de desarrollo.
IV. =
VALIDACIÓN
- RESULTADOS
Para la caracterización del sistema se=
han
utilizado distintos equipos electrónicos comerciales,
=
A) Validación de las Medidas de PH =
EC
- TDS.
La validación de medidas de PH entrega=
das
por el prototipo las cotejamos con las mostradas por el Phmetro
PH-009(I)A, este mide rangos de Ph de 0.0 a 14.=
0 con
una resolución de 0.1 y una exactitud de ą 0.1 ajustándose a las
características que deseamos.
Para valorar la E=
lectroconductividad
y Total de Solidos disueltos, utilizamos como referencia los valores del
medidor comercial TDS-EC
meter (hold) este posee características que se
ajustan a nuestras necesidades:
Conductividad: 0-9990 ľS
/cm,
TDS: 0-9990 ppm, Precisión: ą 2%.
Las lecturas del sensor de Ph, EC y TDS entregadas por el prototipo y el equipo
referencial pueden observarse en la Tabla 1.
Tabla 1. Medición de Ph, EC y TDS con equipo referencial y Prototipo.
|
No |
EC
REFERENCIAL TDS EC meter (hold) =
|
EC PROTOTIPO |
ERROR ABSOLUTO |
TDS REFERENCIAL TDS EC meter (hold) =
|
TDS PROTOTIPO |
ERROR ABSOLUTO |
PH
REFERENCIAL PH-009(I)A |
PH PROTOTIPO |
ERROR ABSOLUTO |
|
1 |
792 |
740.20 |
-51.80 |
396 |
399.70 |
3.7 |
6.9 |
7.17 |
0.27 |
|
2 |
790 |
740.60 |
-49.40 |
395 |
399.25 |
4.25 |
6.9 |
7.17 |
0.27 |
|
3 |
790 |
737.21 |
-52.79 |
395 |
397.00 |
2.00 |
7.0 |
7.18 |
0.18 |
|
4 |
788 |
734.80 |
-53.20 |
394 |
396.80 |
2.80 |
7.0 |
7.17 |
0.17 |
|
5 |
788 |
736.00 |
-52.00 |
394 |
397.75 |
3.75 |
7.0 |
7.17 |
0.17 |
|
6 |
788 |
747.21 |
-40.79 |
394 |
400.20 |
6.20 |
7.0 |
7.18 |
0.18 |
|
7 |
788 |
741.20 |
-46.80 |
394 |
400.20 |
6.20 |
7.0 |
7.17 |
0.17 |
|
8 |
788 |
737.50 |
-50.50 |
394 |
398.25 |
4.25 |
7.0 |
7.18 |
0.18 |
|
9 |
788 |
747.80 |
-40.20 |
394 |
400.60 |
6.60 |
7.0 |
7.17 |
0.17 |
|
10 |
788 |
740.20 |
-47.80 |
394 |
399.70 |
5.70 |
7.0 |
7.18 |
0.18 |
Se eviden=
cia variación
en las lecturas de electroconductividad y total=
de
solidos disueltos, pero al ser medidas en micro Siemens y partes por millón=
respectivamente,
=
B) Repetitividad en lectura de EC y =
TDS.
Este parámetro es de suma importancia y
refleja el grado de estabilidad que tienen los sensores, las pruebas se
realizaron con los
sensores inmersos en la solución q=
uímica
dejándolos reposar unos minutos antes de empezar a tomar las lecturas, esta=
s se
observan en la tabla 2.
Tabla 2 Repetitividad
de lecturas.
|
No |
PH |
EC ľS |
TDS ppm |
|
1 |
7.15 |
32250 |
17415 |
|
2 |
7.15 |
32250 |
17415 |
|
3 |
7.16 |
32250 |
17418 |
|
4 |
7.15 |
32250 |
17412 |
|
5 |
7.16 |
32250 |
17418 |
|
6 |
7.16 |
32250 |
17416 |
|
7 |
7.18 |
32250 |
17416 |
|
8 |
7.15 |
32250 |
17416 |
|
9 |
7.16 |
32250 |
17417 |
|
10 |
7.16 |
32250 |
17417 |
|
Desviación
-Estándar |
0.007 |
3.444 |
2.228 |
|
Media |
7.16 |
32248.70 |
17415.65 |
|
Coeficiente
de Variación |
0.10 |
0.01 |
0.01 |
Los resultados muestran la estabilidad=
de
los sensores, el coeficiente de variación no llegan al
uno por ciento, sin embargo hay que hacer hincapié que dichos valores son
tomados pasado algunos minutos. Como puede observarse el error al repetir
varias veces la misma medida, es un valor pequeńo, además dichos datos está=
n en
los rangos esperados.
La
figura 4 muestra el Monitor Serial de Arduino, con la repetitividad en las
lecturas que entrega =
el
equipo diseńado.
Figura. 4=
. Repetitividad en las lecturas tomadas
desde el monitor serial de Arduino
=
C) Pruebas de Almacenamiento en Micr=
o SD
A través de la programación se creó un
archivo del tipo .csv por la facilidad que brin=
da
esta extensión para separar la información en columnas, dicha información
contiene los datos de fecha, hora, valor de pH, EC y TDS. La figura 5 muest=
ra
el archivo cuyo contenido es la información mencionada. Este archivo puede =
ser
procesado en una hoja de cálculo y se puede procesar según la necesidad de
información y/o como datos de investigación.
Figura. 5. Archivo generado por el Prototipo=
=
D) Control de Bomba para dosificació=
n.
Para alcanzar el objetivo de dosificar=
la substancias
acida, se emulo el funcionamiento de una bomba dosificadora a partir de una
bomba centrifuga, para inyectar un químico líquido &nbs=
p;en
el seno del fluido hidropónico, para esto se requiere medir el caudal de la
bomba.
Se realizaron pruebas para determinar =
un
caudal de la bomba centrifuga, esto se observa en la tabla 3.
Tabla 3. Medición caudal en bomba
centrifuga.
|
Volumen |
100ml |
200ml |
300ml |
400ml |
500ml |
600ml |
1000ml |
|
|
Tiempo (sg) |
||||||
|
1 |
5.70 |
10.88 |
16.35 |
20.65 |
27.23 |
32.93 |
53.98 |
|
2 |
5.60 |
10.23 |
16.55 |
22.52 |
27.47 |
33.12 |
54.45 |
|
3 |
5.29 |
10.54 |
16.57 |
22.56 |
28.12 |
33.77 |
53.77 |
|
4 |
5.42 |
11.31 |
16.07 |
21.40 |
27.42 |
33.20 |
54.65 |
|
5 |
5.81 |
10.37 |
15.86 |
21.91 |
26.16 |
33.36 |
|
|
6 |
5.67 |
10.00 |
16.31 |
21.52 |
27.75 |
32.81 |
|
|
7 |
5.68 |
10.13 |
16.27 |
22.12 |
26.97 |
33.12 |
|
|
8 |
5.56 |
10.23 |
16.41 |
21.86 |
27.02 |
33.05 |
|
|
9 |
5.54 |
10.18 |
16.61 |
21.52 |
26.74 |
|
|
|
10 |
5.29 |
11.13 |
15.55 |
21.68 |
28.80 |
|
|
Delas
|
Media |
5.5 |
10.6 |
16.23 |
21.9 |
27.15 |
33.17 |
54.21 |
5.43 |
5.425 sg /100 M=
L |
|
Media/100mL |
5.30 |
5.41 |
5.48 |
5.43 |
5.53 |
5.42 |
|||
|
Mediana |
5.6 |
10.54 |
16.31 |
21.91 |
27.00 |
33.12 |
54.22 |
5.42 |
|
|
Mediana/100mL |
5.27 |
5.44 |
5.48 |
5.40 |
5.52 |
5.42 |
Se determinó que la bomba cuando es
alimentada con 5Vcc alcanza un volumen de 100 mL en
5,425 sg, a este valor hay que ańadirle el tiem=
po
correspondiente en que la substancia recorre la longitud de la manguera has=
ta
alcanzar a la substancia nutritiva. En nuestro caso utilizamos una manguera=
de
50cm de longitud, con lo cual tenemos el tiempo que debe permanecer activad=
a la
bomba para llevar la sustancia niveladora de pH.
Cabe destacar que el número de pruebas=
realizadas
supera ampliamente las mostradas en la tabla anterior.
=
E) Resultados con App.
Inicialmente se creó un proyecto en la
Aplicación Blynk, en este se agregaron los widg=
ets
LCD y Serial Terminal para visualizar en el teléfono móvil las lecturas
provenientes de los sensores, se configuraron los pines necesarios de la
siguiente manera: Serial Terminal el puerto virtual V6 y para
LCD el puerto virtual V5. <=
span
class=3DGramE>La figura 6 m=
uestra
los valores de los parámetros en la aplicación del teléfono celular.
Figura. 6. Datos Recibidos en App de celular=
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
En virtud que el Plan de Marketing liderado por el=
GAD
Municipal del cantón Nabón. La cual presenta la capacidad financiera para
materializar las estrategias y tácticas descritas previamente. No obstante,=
los
beneficios derivados, más que valores de rentabilidad, se encuentra asociad=
os a
una perspectiva social, ya que su impacto en la población de la región dond=
e se
encuentra comprendido el cantón es altamente significativo, debido a varios
factores.
ˇ&nb=
sp;
La implementación del Plan de Marketing estratégico
implica la generación de una imagen de marca positiva sobre el cantón Nabón,
presentando los atractivos turísticos y las potencialidades del territorio =
en
cuanto a su diversidad cultural y su gastronomía autóctona, derivando una m=
ayor
atracción de visitantes nacionales y extranjeros, por lo que resulta impera=
nte
la creación de nuevos emprendimientos de servicios e infraestructura que
permitan responder a la demanda creciente al respecto.
ˇ&nb=
sp;
Todo ello supondría la necesidad de creación de nu=
evos
empleos, así como se evitaría de forma implícita la migración de la poblaci=
ón
del cantón Nabón hacia otras regiones de la provincia del Azuay u otros
territorios, contribuyendo estos a su desarrollo económico.
ˇ&nb=
sp;
Y finalmente, este nuevo escenario conduce a
transformaciones en el ámbito educativo y tecnológico, relacionados con la
gestión turística por parte de los diferentes grupos de interés (proveedores
del servicio, población cantonal, entre otros) para así lograr cumplir con =
los
objetivos y las metas estratégicas que posibiliten un mayor desarrollo turí=
stico.
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[1] Facultad
de Informática y Electrónica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, C=
himborazo,
Ecuador, fmoreno@espoch.edu.ec
[2] Universidad Tecnológica de la Habana José Antonio Echeverría, CUJAE. =
Centro
de Investigaciones en Microelectrónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica, La
Haba, Cuba, decano.tele@tesla.cujae.edu.cu
[3] Universidad Tecnológica de la Habana José Antonio Echeverría, CUJAE. =
Centro
de Investigaciones en Microelectrónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica La
Haba, Cuba, alicia.polanco@cime.cujae.edu.cu
www.cienciadigital.o=
rg
=
Vol.
3, N°2, p. 98-112, abril - junio, 201