Introducción

El uso de la tecnología en la agricultura es inminente de acuerdo con los expresado por (¹), la incorporación de la tecnología cada vez cobra mayor relevancia, por lo tanto, es pertinente el uso de este conjunto de técnicas, como lo expresa (²), donde recomienda el uso de métodos exactos y eficientes de monitoreo y medición de las variaciones que pueden darse en cada una de las propiedades del suelo de un cultivo por medio de sensores

Está claro que la hidroponía permite una oportunidad de producción barata de alimento, pero para que se tenga éxito en este tipo de sistemas es necesario tener un control y seguimiento continuo, que permita la verificación de las cuantificaciones involucradas en la producción.

El presente artículo detalla un kit tecnológico de bajo costo con dispositivos disponibles en el mercado ecuatoriano, examina el uso de sensores comerciales para la toma de datos, y la presentación de información en una pantalla LCD genérica y el desarrollo de software para la interpretación de datos.

Tendencias de sembrado

Urge producir cada vez más alimento, especialmente hortalizas, sobre todo en zonas con una alta densidad poblacional, pero su desarrollo esta obstaculizadas por el rápido crecimiento de la ciudad, ya que los suelos son utilizados para la creación de proyectos de vivienda o de industrias, ante esta situación existe cada vez menos suelo cultivable, agua saneada para el riego, es por eso que las técnicas hidropónicas de cultivo puede ser considerada una alternativa antes esta problemática.

De acuerdo a (³) la hidroponía viene del griego “HIDRO” = AGUA y “PONOS” = TRABAJO, significa “EL TRABAJO EN AGUA” se concluye que la hidroponía son sistemas de cultivo basados en agua, o un sentido más extenso cultivo sin suelo.

Según (³) la hidroponía “es un sistema aislado del suelo, que se ajusta al cultivo de una amplia gama de plantas, el crecimiento de las mismas es posible gracias al suministro de las soluciones nutritivas a través del agua, el recurso hídrico puede ser reutilizado varias veces por medio de un sistema de retroalimentación”. De acuerdo a (⁴) un sistema NFT es un cultivo de planta de raíz desnuda, es una técnica de sembrado que utiliza poco espacio, se basa en la circulación continua de solución nutritiva a través de las raíces, la misma que será mezclada con agua y circulará por canales o tubos de PVC, llamados canales de cultivo, es importante recalcar que es posible usar materiales reciclados, generando una disminución de la inversión inicial como se observa en la figura 1.

En cada tubo hay orificios de forma circular donde se colocarán canastillas donde se colocan las plantas, para fijarlas se usan esponja, los canales están sujetados a una mesa y con una ligera inclinación o desnivel que a su vez proporciona la circulación de la solución nutritiva.

La solución nutritiva es almacenada en un recipiente o tanque, la capacidad depende de los litros de solución nutritiva, una bomba será la encargada de la circulación del líquido nutritivo por el canal de cultivo, la recirculación mantiene a las raíces en contacto con la solución nutritiva, generando la oxigenación correcta de las raíces y un abastecimiento apropiado de nutrientes minerales para el desarrollo de las plantas, generando un menor gasto de energía en sus procesos metabólicos.

Condiciones ambientales para favorecer el desarrollo de la planta

Según (⁵) la temperatura óptima para el desarrollo de la planta está entre los 15 y los 25° C, llegando a soportar en situaciones máximas de 26° C y mínimas de 7 ^o C, la temperatura es una variable que afecta el desarrollo de la planta. También se debe tener cuidado en la humedad en la que se encuentre se recomienda entre el 70 - 80%, si es menor al intervalo señalado la planta se deshidrata y si es mayor a este rango provocará la aparición de hongos. En el cuadro 1 se muestra las condiciones óptimas para el desarrollo de la planta.

Calidad del Agua en Hidroponía

Dentro de las características físicas que afectan a la solución nutritiva están los materiales en suspensión (turbidez), en el caso de los sistemas hidropónicos la acumulación de materiales en combinación con la solución nutritiva genera un aumento de salinidad y/o pH, desestabilizando los cultivos produciendo en escenarios extremos la muerte de la planta, se recomienda el uso de filtros que permitan la eliminación de exceso de estos sedimentos, según (⁶)

Las características químicas son las causantes de la mayor cantidad de problemas en un cultivo hidropónico, si estas no son controladas, pueden generar hasta la muerte de la planta, según (⁶) el rango de pH en el cual los nutrientes se encuentran disponibles ocurre entre 5,5 y 7,5.

Si esta variante se encuentra en el rango apropiado, permite la asimilación correcta de los nutrientes, caso contrario se intoxicarían, teniendo una planta enferma o casos extremos la muerte de la misma.

Gracias a la medición del pH es posible medir el grado de contaminación de una solución, determinar el estado en el que se encuentran los elementos de una solución nutritiva en un cultivo hidropónico. El pH está directamente relacionado con la solución nutritiva, es decir que el debido control de este indicador permite la correcta absorción de los elementos (nutrientes), evitando el deterioro del cultivo, es necesario resaltar que una planta se alimenta desde la raíz, donde se hace la absorción de los elementos necesarios para su desarrollo, y estos a su vez son conducidos hasta las hojas en donde son digeridos, este proceso es afectado cuando se tiene un pH no idóneo, trayendo como consecuencia el desgaste o deterioro de la planta.

Diseño del sistema de adquisición de datos

El diseño de sistema encargado del monitoreo del cultivo hidropónico, está formado por salidas/entradas, para esto se ha seleccionado una tarjeta programable basada en la plataforma ARDUINO la misma que se muestra en la figura 2, de acuerdo a (⁷) el ARDUINO es una placa hardware libre que incorpora un microcontrolador reprogramable que permiten conectar allí de forma muy sencilla y cómoda diferentes sensores y actuadores.

El ARDUINO uno utiliza el microcontrolador ATmega328, viene con un conector USB que permite conectarse con la computadora, por donde se hace la transferencia del código, es una plataforma computacional open-source la cual tienen entradas-salidas (digitales y analógicas) para la recepción de señales provenientes de los sensores. Integra su propio entorno de desarrollo figura 4, para la programación del microcontrolador, la compilación y el envío del código hacia el microchip.

Para el diseño se considera el uso de dos botones momentáneos (encendido/apagado) tal como se muestra en la figura 4, se usa este modelo de botón ya que el mismo rebota por sí mismo después de que se suelta, emite una señal ALTA cuando se presiona, y BAJA cuando se suelta por el pin SIG. Se usa para el encendido y apagado de la bomba <<actuador>>.

El código de la programación del encendido y apagado se encuentra el siguiente link: https://drive.google.com/file/d/0BwVf37WsbKGoeERSZDdqVXMwZHc/view?usp=sharing

El base Shield (figura 5) sirve como tarjeta de expansión, se usa como interfaz entre el Arduino y los módulos (Botones, pantallas LCD, Relés), tiene 16 enchufes, los cuales están distribuidas en tres áreas: 8 puertos digitales, 4 puertos análogos y 4 puertos I2C, los módulos se comunican usando diferentes protocolos de comunicación. En cada enchufe de la base Shield se conectan los módulos, los mismos que tiene 4 pines, VCC, GND, y dos pines que pueden ser entradas/salidas análogas o digitales, esta es compatible con el Arduino UNO, el número de pines entre la placa ARDUINO y la BASE SHIELD es igual, adicionalmente tiene dos pines el SDA y SCL los cuales nos permite el uso de los cuatro puertos I2C.

Para el despliegue de información se usa una pantalla LCD figura 6, este módulo permite mostrar una luz monocromática al fondo la misma que puede ser configurada (verde, roja, azul, blanca), usa el protocolo I2C como método de comunicación con el ARDUINO, reduciendo el número de pines para el intercambio de datos de 10 a 2, ahorrando las entradas y salidas para otras tareas, para la programación es necesario descargarse las librerías, que permite caracteres definidos por el usuario.

Para el control del paso de corriente hacia actuadores (bombas) se usa un relé figura 7 el mismo que está conectado al Arduino por medio de la base Shield, se activa con 5 V, permite el control de líneas de tensión de 110/220 V. en AC y 15/7 amperios respectivamente. Tienen como propósito dentro del diseño el encendido y apagado de los actuadores.

Según (⁸) un sensor es un convertidor técnico, que convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, más fácil de evaluar (generalmente una señal eléctrica)

Los sensores seleccionados son compatibles con el protocolo de comunicación y con la alimentación, tienen rangos de medición y precisión aceptables, durabilidad y fiabilidad.

Sensor de PH

De acuerdo a (⁹), (¹¹)- (¹³), el uso de sensores clave para el monitoreo, es por eso que una de las variables a ser controladas es el pH del agua, para dicho control se usa el sensor de pH que se muestra en la figura 8, de la empresa dfrobot, medidor de bajo costo, y compatible con la placa Arduino, hay que resaltar la forma de conexión, conveniente y práctico, con un margen de error ± 0,1 si se trabaja a una temperatura de 25⁰ C, estas características precisión y bajo costo hace que este sensor sea la mejor opción. Cuenta con un led que funciona como indicador del encendido, un conector y una interfaz de sensor de BNC, para su funcionamiento, se conecta el sensor con el conector BND, y esta interface se conecta a la entrada analógica de la placa ARDUINO, clave para el monitoreo de la calidad del agua, se advierte que este componente no debe estar totalmente sumergido en el agua.

El link del código para la obtención de información del pH se encuentra en el siguiente link: https://drive.google.com/file/d/0BwVf37WsbKGoNXlxNEtRbHRRT1E/view?usp=sharing

Sensor de Temperatura

Otras de las variables a controlar en el sistema hidropónico es la temperatura, es por eso que se eligió el sensor DS18B20 mostrado en la figura 9 (sumergible) un termómetro digital de muy buena precisión, tiene un rango de operación que va desde los -50 y 125 grados Celsius, usa de 9 a 12 bits por cada grado, con márgenes de error del ±0,5 grados, con un precio muy económico, de fácil funcionamiento, oportuno en proyectos donde se requieran mediciones confiables y precisas.

Se comunica de forma digital, cuenta con tres terminales, dos de alimentación y un pin de data, por medio de la tarjeta arduino se puede leer las temperaturas que registra el sensor, usa un protocolo de comunicación de una vía, la librería Onewire, permite el envío y recepción datos utilizando un cable, para resolver este problema al momento de conectarlo con la plataforma ARDUINO se usa las librerías Dallas Temperature y el Onewire

El código para el monitoreo de la temperatura se encuentra en el siguiente link: https://drive.google.com/file/d/0BwVf37WsbKGoM253NE53WHZGaTg/view?usp=sharing

Actuadores

Según (¹⁰), (¹⁴), y (¹⁵), los actuadores igual que los sensores deben tener compatibilidad con el tipo de comunicación que ofrece el Arduino, en caso de los actuadores no maniobrables desde la placa deben alimentarse con una fuente externa, y controlarse su apagada y encendido mediante relés, además tener una vida útil elevada, capacidad de funcionamiento de 24 horas al día, que tengan la capacidad de soportar ambientes húmedos o mojados. Es por eso que se optó con la utilización de una bomba la cual permite que el flujo de agua sea transportado de un lugar a otro ideal para cultivos hidropónicos <<jardines, invernaderos, muros, entre otros>>.

Funcionamiento

Sistema de monitoreo (Descripción del circuito electrónico)

Para el funcionamiento se utiliza una tarjeta ARDUINO, la misma que integra su propio IDE (Interfaz de desarrollo) para la programación del microcontrolador, la compilación y la transferencia del código hacia el microchip.

La labor del ARDUINO es solicitarle a cada sensor el valor de PH del agua que supervisa, luego dependiendo del PH promedio obtenida en un tiempo determinado, la rutina programada desplegará la información a través de una pantalla LCD, si el PH obtenido no está dentro del rango recomendado para el cultivo se emite un aviso de alarma en la pantalla LCD y detendrá el flujo del agua, esto sirve para que el dueño del cultivo pueda monitorear lo que está sucediendo, esta medida busca proteger el cultivo ya que la falta de control del PH podría originar hasta la perdida de la plantación. Para el encendido y apagado de la bomba se usa un sistema de relés los mismo que están condicionados al programa desarrollado.

Otra labor del ARDUINO es tomar valores de temperatura, los datos obtenidos en este sensor se procesan en la tarjeta, los mismos que de acuerdo con los rangos recomendados donde sugiere una temperatura que oscile entre los 16 y 25 ^o C para el óptimo desarrollo de la planta, ante una situación adversa a este escenario, se emite un aviso de alarma en el LCD indicando a la persona encargada de monitorear las condiciones presentadas.

Los materiales utilizados para la visualización de los datos son una pantalla LCD la cual recibe la información del ARDUINO usando protocolo I2C. El código final se encuentra en el siguiente link: https://drive.google.com/file/d/0BwVf37WsbKGoSGJpWUhMUGE4Ymc/view?usp=sharing

La Algorítmica

Se busca que la programación del sistema responda ante las señales que se obtienen de los sensores de pH y temperatura, la tarjeta ARDUINO es programada para que detecte que las variables trabajen en los intervalos óptimos (5,5 ≤ pH ≤ 7,5 y 16°C ≤ T ≤ 25°C) para el buen desarrollo de la planta, de esta forma la persona encargada en cuidar el cultivo podrá monitorear los datos generados por el sistema en la pantalla LCD, si no cumple con condiciones dadas automáticamente despliega en la pantalla LCD una señal de alarma.

En la figura 10, se muestra el diagrama de flujo del sistema hidropónico.

Resultados esperados

Después de someter a los sensores a distintas pruebas se observa que los mismo trabajan correctamente de acuerdo con la figura 11, ya que detectan correctamente los rangos de condiciones óptimas de sembrado, los mismos que son mostrados en el visor del programa desarrollado para el monitoreo. También se muestra e la información cuando la temperatura no está dentro del rango de condiciones óptimas.

De la misma manera procedemos con la medición del PH figura 12, la misma que es probada en el rango de condiciones óptimas entre 5,5 y 7,5, mostrando los valores obtenidos del sensor en condiciones óptimas y no óptimas.

Pero si sale del rango establecido como óptimo el visualizador envía el mensaje de alerta

Conclusiones

La creación de plataformas electrónicas <<Arduino>> hace posible el desarrollo de tecnología de bajo costo para el monitoreo de sistemas de cultivo, lo que representa un ahorro de costos tanto en el desarrollo como en la adaptación de sensores, con la ventaja de ser utilizados en cualquier región, ya que permite el uso de materiales accesibles en el mercado. Este tipo de desarrollo permite el control de todo tipo de variables, generando un mejor aprovechamiento de los recursos <<agua, nutrientes, químicos>> en beneficio de la calidad y cantidad de la producción. El sistema permite escalar con la integración de nuevas tecnologías como por el ejemplo del monitoreo a través del internet con el uso de dispositivos móviles. El presente trabajo permite evitar la dependencia de tecnología extranjera, disminuir costos, y ayudar en gran medida a la industria agrícola en la toma de decisiones. En un trabajo futuro se plantea llevar a cabo el monitoreo del cultivo hidropónico a escala mediante el desarrollo de una aplicación Android.