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Automatizaci�n del control de nutrientes en hidropon�a mediante el uso de un sistema embebido

 

Automation of nutrient control in hydroponics through the use of an embedded system

 

Automa��o do controle de nutrientes em hidroponia atrav�s do uso de um sistema embarcado

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: luis.acosta@uho.edu.cu

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: de 12 julio de 2022

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo. Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
4. Investigadores Independientes, Ecuador.
5. Investigadores Independientes, Ecuador.

Resumen

El proyecto tiene como objetivo el dise�o e implementaci�n de un sistema de control y monitoreo de nutrientes en una soluci�n por medio de los par�metros pH, CE, temperatura y el flujo utilizado en un sistema� hidrop�nico NFT para� optimizar el consumo� de agua.� El control de variables se realiza por medio de una interfaz desarrollada en LabVIE� y una� tarjeta Arduino� para� la� adquisici�n� de� datos.� Se realizan mediciones comparativas para validar el sistema y determinar si es fiable en el uso de posteriores estudios. La comparaci�n de los instrumentos port�tiles con los sensores seleccionados es crucial para� procesar los datos� y seguir� evaluando� el crecimiento� de la hortaliza.� Entre los resultados m�s importantes se determina que no existen diferencias significativas� luego del an�lisis� estad�stico mediante� una� prueba� de Tukey.

Palabras Clave: Hidrop�nico; Sistema NFT; Monitoreo cultivo; Sistema Embebido; Adquisici�n de datos; LabVIEW; Arduino.

 

Abstract

The objective of the project is the design and implementation of a nutrient control and monitoring system in a solution by means of the pH, EC, temperature and flow parameters used in an NFT hydroponic system to optimize water consumption. Variable control is performed through an interface developed in LabVIEW and an Arduino card for data acquisition. Comparative measurements are made to validate the system and determine if it is reliable in the use of further studies. The comparison of the portable instruments with the selected sensors is crucial to process the data and further evaluate the growth of the vegetable. Among the most important results, it is determined that there are no significant differences after statistical analysis using a Tukey test.

Keywords: Hydroponic; NFT system; Crop monitoring; Embedded System; Data acquisition; LabVIEW; Arduino.

 

Resumo

O objetivo do projeto � a concep��o e implementa��o de um sistema de controle e monitoramento de nutrientes em uma solu��o por meio dos par�metros de pH, EC, temperatura e vaz�o utilizados em um sistema hidrop�nico NFT para otimizar o consumo de �gua. O controle de vari�veis ​​� realizado atrav�s de uma interface desenvolvida em LabVIEW e uma placa Arduino para aquisi��o de dados. Medidas comparativas s�o feitas para validar o sistema e determinar se ele � confi�vel no uso de estudos posteriores. A compara��o dos instrumentos port�teis com os sensores selecionados � fundamental para processar os dados e avaliar ainda mais o crescimento do vegetal. Entre os resultados mais importantes, determina-se que n�o h� diferen�as significativas ap�s a an�lise estat�stica por meio do teste de Tukey.

Palavras-chave: Hidrop�nico; sistema NFT; Monitoramento de safras; Sistema Embarcado; Aquisi��o de dados; LabVIEW; Arduino.

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Introducci�n

Un sistema hidrop�nico se basa en el crecimiento de las plantas sin uso de tierra para recibir los diferentes nutrientes, en este tipo de sistemas el uso del agua es el medio de conducci�n de los nutrientes.� El m�todo de hidropon�a usa varias t�cnicas y da un valor nutricional m�s completo, permite llevar un mejor control de la producci�n y facilita el desarrollo productivo, sostenible y ecol�gico de las plantas [1], adem�s muestra un efecto positivo en sus consumidores [2], [3]. Para muchos pa�ses la agricultura es muy importante por su aporte econ�mico, sin embargo, existen regiones que deben tecnificar sus procesos para mejorar la calidad y la producci�n.� Los cultivos por hidropon�a suponen algunas ventajas sobre el m�todo tradicional como lo es el control de plagas, enfermedades exceso de nutrientes, mejor calidad, aumento de la producci�n y optimizaci�n en el aprovechamiento del �rea. En este sistema no requiere rotaci�n de cultivos porque no hay problema con el consumo de nutrientes ni desgaste del suelo, las ra�ces se desarrollan mejor y existe una p�rdida de agua m�nima. La producci�n hort�cola usa de manera muy intensa la hidropon�a por la creciente demanda por alimentos y escasez de suelos generado por la agricultura tradicional. Los sistemas hidrop�nicos usan tecnolog�a de punta y su inversi�n� suele ser alta, de esta manera es importante realizar la investigaci�n orientada en la mejora de la producci�n usando este m�todo, en especial en lugares como la sierra del Ecuador. El sistema NFT (T�cnica de Pel�cula de Nutrientes), es un sistema que este compuesto por un tanque� que tiene una soluci�n� con nutrientes,� un sistema de bombeo,� canales de cultivo y el retorno al tanque.

 

 

 

Metodolog�a

Se hace un resumen de conceptos, criterios de varios autores y el an�lisis del dise�o e implementaci�n de un sistema de monitoreo de variables usando sensores para medir pH, conductividad el�ctrica, temperatura� y flujo. Por medio de la experimentaci�n sentar las bases para entender el funcionamiento y uso de este tipo de sistema para mejorar el cultivo, controlando una bomba centrifuga.

A. Requisitos y especificaciones del sistema

A continuaci�n,� se describen� las caracter�sticas� y especificaciones de los sensores� y actuadores� y controlador� que conforman� el� sistema. Las mismas fueron determinadas� a partir de un an�lisis de las condiciones de funcionamiento del sistema de cultivo hidrop�nico y considerando la capacidad de recursos t�cnicos y econ�micos� para su adquisici�n. Tambien ser� muy importante analizar las condiciones externas en las que se va a instalar el sistema,� debido� a que los sensores deben cumplir con requerimientos� de espacio, resistencia, tipos de conectores,� precisi�n, tipos de alimentaci�n, etc. En la siguiente� figura se indica las caracter�sticas de las tuber�as usadas en el cultivo y la disposici�n de las plantas.

 

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema.

 

B. Medici�n de par�metros

1. Medici�n del PH en cultivos Hidrop�nicos. Mediante el valor de pH se puede conocer si el estado� de una soluci�n nutritiva� que circula por un cultivo es �cida o b�sica, esto afecta a las ra�ces de las plantas en la capacidad de absorci�n de nutrientes. Los valores determinados en el invernadero de la Facultad� de Recursos Naturales� de la Escuela Superior Polit�cnica� de Chimborazo, despu�s de varias investigaciones, arrojan un rango optimo entre 5,5 y 6,5 de acidez, el mismo que se� debe monitorear� para evitar problemas� o� perdidas en los cultivos[4]. Un aspecto importante� al momento� de medir el pH es que se debe entender que se lo relaciona con dos funciones relacionadas al crecimiento de las plantas,� la primera relacionada al proceso de �xido-reducci�n� que afecta la solubilidad de algunos elementos y la segundo relacionada con la absorci�n de iones realizado por la ra�ces de la planta siendo esto cr�tico en la asimilaci�n de nutrientes. [5]

 

Figura 2. Disposici�n de plantas del cultivo y tuber�as utilizadas en el sistema hip�dromo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla i. Caracter�sticas t�cnicas de los sensores y actuadores

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Medici�n de la temperatura La temperatura tambi�n juega un papel importante en el crecimiento de un cultivo, depender� principalmente de la zona o ubicaci�n del cultivo o si se encuentra al aire libre o protegido con alg�n medio aislante de su entorno. Su variabilidad tambi�n depender� de las estaciones y de la hora del d�a, de aqu� la utilidad de los invernaderos en los que se hace uso de distintas formas de conservaci�n de los cultivos conservando el calor del interior del invernadero o el uso de m�todos de sistemas de calefacci�n� o mediante una ventilaci�n� de forma natural.� De aqu� que se requiere seleccionar� un censor capaz de sensar todas las variaciones de temperatura y trabajar correctamente bajo condiciones l�mites, se considerar� aspectos� como temperatura� de operaci�n al ambiente donde va a trabajar el sensor y ser� instalado. [6]

 

 

Tabla II. Caracter�sticas t�cnicas de los sensores� y actuadores

 

Cultivo���� �Conductividad el�ctrica Ds/m

 

 

 

3.� Medici�n de la� conductividad�� el�ctrica en� cultivos hidrop�nicos En un cultivo la conductividad el�ctrica� que se medir� es proporcional al contenido de iones, de tal manera que una reducci�n ser� proporcional a una ca�da proporcional en la cantidad� total de iones disponibles� para su absorci�n por las ra�ces. Por otro lado, algunos componentes� como las sales presentar�n un valor diferente de conductividad el�ctrica. Es as� que, para� cada formulaci�n� habr� una funci�n lineal relacionada C.E. e iones disueltos totales [7]. La conductividad el�ctrica al ser una variable� de soluci�n� nutritiva nos da a conocer la cantidad de sales disueltas en el agua susceptibles de ser medidas en micro Siemens por cent�metro� (ms/cm) o en partes por mill�n (ppm), con una variaci�n� de valores en el rango de 1400 a 2000 ppm.[4]

C. Sistema de control

El sistema de control� para la bomba es del tipo ON/OFF, facilitando� as� el procesamiento� de los datos medidos� por los instrumentos� para dar dos puntos� uno superior� y uno inferior (estados� verdadero� y falso), la programaci�n� tanto del monitoreo� como del control� de los actuadores� es como se muestra en la Ilustraci�n 2: Control de accionamiento de la bomba.Con� el� control de las funciones� de tiempo que podemos� realizar en nuestra DAQ (tarjeta de adquisici�n de datos) podemos establecer� el control on-off del actuador mencionado� y� mediante� la� interfaz con LabVIEW podemos establecer los tiempos de accionamiento de la bomba seg�n los requerimientos del sistema hidrop�nico. El� tiempo �ptimo luego de un an�lisis de aplicaciones� similares y observaciones in situ se define� que la bomba� deba encenderse� durante 40 segundos cada 5 minutos en un ciclo repetitivo.

 

Resultados

El control del sistema hidrop�nico NFT estar� conformado por un sensor de pH, temperatura, conductividad el�ctrica� y un fluj�metro, y por una bomba.� Para determinar la cantidad de sales disueltas en el agua por medio del sensor anal�gico TDS� (Total Disolved� Solids /���� Solidos Disueltos� Totales), se puede� medir la conductividad� el�ctrica, siendo un dato muy importante� para alcanzar� la cantidad� de los nutrientes necesarios (la sonda� debe estar entre 1200 a 2200 mS/cm). El sensor TDS esta adaptada para funcionar con los sistemas embebidos en este caso un Arduino UNO, para leer y cuantificar el valor de conductividad� en la soluci�n en el tanque del sistema hidrop�nico. El proceso de calibraci�n se muestra en la siguiente figura.

 

Figura 3.� Sensor TDS

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Figura 4.� Diagrama de bloques del monitoreo y control

 

Se realiza una calibraci�n del sensor pH para tener valores adecuados para la determinaci�n de la alcalinidad de la soluci�n, mediante un medidor patr�n. Se obtiene una ecuaci�n de calibraci�n� aplicando m�nimos cuadrados Ec (1).

pH = −5.7x + 21.338������������������������� (1) Una vez los� sensores fueron calibrados,� se� procede a� la toma de datos, tomando en cuenta las condiciones iniciales de temperatura de 24.6�C con un pH de 6.13 en una soluci�n de 1852 ms/cm. Posterior se procede a comparar y relacionar los datos� con los tomados por el sistema de adquisici�n de datos y los datos obtenidos de los patrones de medici�n. En la siguiente tabla se presentan los resultados:

A. An�lisis de Varianza

El an�lisis de varianza� se utiliza para la comparaci�n� y validaci�n de los sistemas de medici�n, tanto autom�tico como con instrumentos� port�tiles� y posteriormente� determinar� la efectividad del mismo para su uso a futuro. Los instrumentos port�tiles o patr�n son usados para comparar con los medidos por el sistema de adquisici�n de datos DAQ, midiendo conlos sensores el pH patr�n y DAQ, la conductividad el�ctrica (TDS) patr�n� y DAQ, y la temperatura� patr�n� y DAQ. Las mediciones se realizaron por tres d�as como una medida� de validaci�n del sistema tal como se muestran en la tabla III.

 

Tabla III. RECOLECCI�N DE DATOS EN MODO MANUAL Y AUTOM�TICO [8]

 

Existen varios procedimientos para re- alizar comparaciones m�ltiples entre medida, siendo al m�todo de Tukey uno de los m�s usados en investigaciones agr�colas. El m�todo puede ajustar� a los datos a un nivel de confianza de por lo menos el 5%,� por ser el m�s conservador� con respecto� a otros m�todos� [9].� Al buscar mayor certeza de las apreciaciones en las comparaciones de los resultados, se recurre al m�todo de Tukey que ofrece mayor confiabilidad en las pruebas de intervalos de confianza simult�neos para de esta manera comprobar� la existencia de diferencias que sean significativas� entre las distintas distancias que se observen en los gr�ficos existentes [10]. La prueba de Tukey al 5% para� pH y C.E. (conductividad� el�ctrica) medido cada 15 minutos� durante� dos horas en tres d�as diferentes, present� un solo grupo� estad�stico� �A�, el valor m�s bajo con 6.24 y 1872,91mS/cm respectivamente, tal como se muestra en la figura 5 y figura 6. Los valores pertenecen a la medici�n de la tarjeta de adquisici�n de datos, a su vez el valor m�s alto es de la medici�n con instrumentos port�tiles. Se puede interpretar que al no existir diferencias significativas entre los dos m�todos, los resultados obtenidos estad�sticamente� son iguales, por lo que se puede� usar sin duda� cualquiera� de los m�todos.� El an�lisis de varianza� para la temperatura se realiz� con datos tomados cada 15 minutos durante dos horas durante un per�odo de tres d�as, a continuaci�n� se presentan� los resultados� La prueba de Tukey al 5% para Temperatura mostr� un solo grupo estad�stico �A�, el valor m�s bajo con 24,89�C correspondi� a la medici�n con la tarjeta de adquisici�n de datos, mientras que el valor m�s alto de las mediciones� provienen� de los instrumentos port�tiles tal como se indica en la figura 7.

 

Figura 5.� Prueba Tukey para pH.

 

Figura 6.� Prueba Tukey de Conductividad El�ctrica.

Figura 7.� Prueba Tukey de temperatura.

 

Conclusiones

El estudio dio a conocer la importancia de tener sensores para obtener los valores de manera m�s precisa para controlar el sistema NFT, su selecci�n� debe considerar las condiciones externas� del cultivo as� como la precisi�n� buscada� para la medici�n. El monitoreo por medio de la adquisici�n de datos y recolecci�n de los datos con la interfaz de LabVIEW se pudo apreciar que la temperatura oscila entre 22�C a 25�C, en el departamento de horticultura de la instituci�n. La comparaci�n de los m�todos� de medici�n� dio a conocer que tanto los instrumentos port�tiles y por medio de sensores con la tarjeta de adquisici�n de datos tienen diferencias no tan significativas por lo que se puede� trabajar con la DAQ y almacenar� la informaci�n� en la� PC del proyecto. Los resultados� de la absorci�n de los nutrientes en un sistema hidrop�nico se tiene mayor control y por medio de modelos matem�ticos de puede calcular los porcentajes adecuados para optimizar la absorci�n. ��

 

Referencias

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2. F. S. Del Castillo, E. Del Carmen Moreno P�rez, E. C. Maga�a,� and J.
3. M. G�mez, �Producci�n de forraje hidrop�nico de trigo y cebada y su
4. efecto en la ganancia de peso en borregos,� Rev. Chapingo, Ser. Hortic.,
5. vol. 19, no. 4 SPEC., pp. 35�43, 2013, doi: 10.5154/r.rchsh.2012.02.020
6. F. Carmona, F. Fabi�n, P. P�rez, C. Eva, H. Pizarro, and M. Adri�n, �Respuesta productiva de conejos alimentados con forraje verde hidrop�nico de avena , como reemplazo� parcial �de concentrado comercial,�� Acta Agron�mica, vol. 60, no. 2, pp. 183�189, 2011.
7. D. A. Figueroa Arias and C. A. Ar�valo Arias, �Dise�o, construcci�n y automatizaci�n de un dispositivo cerrado para cultivos� org�nicos� en el hogar,� Universidad Piloto de Colombia, 2018.
8. C. Hern�ndez and L. D�as, �Automatizaci�n De Cultivos Hidroponicos,� Universidad De Los Andes, 2003.
9. M. Buend�a, A.� Cedillo, and G.� Vega, �Dise�o de un invernadero automatizado�� con� cultivo hidroponico�� vertical de� lechugas en� el Rosario, Cuautitl�n,� Instituto Polit�cnica Nacional. M�xico,� 2012.
10. D. Domingues, H. Takahashi, C. Camara,� and S. Nixdorf, �Automated system developed to control pH and concentration of nutrient solution evaluated in hydroponic lettuce production,� Comput. Electron.� Agric.,
11. 2020.
12. E. Freire and M. Pujos, �Dise�o e implementaci�n de un sistema de monitoreo para el control de nutrientes, pH, c.e., temperatura y flujo de agua, en hidropon�a mediante el uso de sistemas embebidos, ubicado en el departamento de horticultura, de la facultad de recursos naturales,� Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, 2020.
13. J. A. Garc�a-Villalpando, A. Castillo-Morales, M. E. Ram�rez-Guzm�n, G. Rend�n-S�nchez,� and Larqu�-Saavedra,� �99-34 (Comparaci�n� de los procedimientos de...),� p. 8, 2001.

I.                Artom�va, S. Fernandez, and J. Mosquera, ��An�lisis del Rendimiento de los Estudiantes Aplicando Dise�o de Experimentos: Caso Particular�. Red de revistas cient�ficas de Am�rica Latina,� "An�lisis del Rend. los Estud. Apl. Dise�o Exp. Caso Part. Red Rev. cient�ficas Am�rica Lat., 2020.

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).