INVERNADERO INTELIGENTE

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CECyT No 1 GONZALO VAZQUEZ VELA

“INVERNADERO INTELIGENTE”

Trabajo Terminal Que para obtener el título de

“Técnico en Sistemas Digitales” Presentan David Borja Cazales

Nydia Gabriela Fuentes Jasso José Carlos García Ortega David Isaí Pérez Ruiz Luis Alfredo Sánchez Angeles Asesor Alejandro Vázquez Del mercado

México D. F. Mayo del 2010 1

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CECyT No 1 GONZALO VAZQUEZ VELA

Trabajo Terminal “INVERNADERO INTELIGENTE”

Que para obtener el título de

“Técnico en Sistemas Digitales” Presentan David Borja Cazales Nydia Gabriela Fuentes Jasso José Carlos García Ortega David Isaí Pérez Ruiz Luis Alfredo Sánchez Angeles

Asesor Alejandro Vázquez Del mercado.

Presidente del Jurado

Ing. Martin Vera Lozada

Profesor de la academia

Ing. Fernando Aarón Ordóñez Hernández

México D. F. Mayo del 2010 2

INDICE DE TEMAS Índice de tema

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Índice de figuras

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Índice de tablas

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Resumen

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Introducción

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Motivación

11

Objetivos

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1.0 Marco teorico

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2.0 Tipos de invernadero 3 .0 Importancia de un invernadero en la producción agrícola

14 15

4.0 ¿Qué es lo que deseamos de un invernadero?

16

5.0 El invernadero inteligente

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5.2 ¿Cómo logramos la automatización?

18

6.0 El control como herramienta fundamental

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6.1 Microcontrolador pic

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6.2 Sensores

22

6.3 Sensor y transductor

23 24

6.3.1 Sensor de humedad 6.3.2 Sensor de temperature

25

6.3.3 Sensor de ondas de luz infrarroja

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7.0 Elementos que conforman y son controlados por sensor

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7.2 Transductores 7.3 Amplificador operacional

29 30 3

8.0 Comunicando el entorno

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9.0 Planteamiento del problema

33

9.1 Nivel global

33

9.2 Nivel cultivo

34

9.3 Nivel automatizado

34

10.0 Desarrollo de la propuesta

35

11.0 Componentes de un invernadero

real

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12 componentes del invernadero inteligente

37

13 METODOLOGIA o 13.1 Estructura general o 13.2 Jardineras o 13.3 Domo o 13.4 Sistema hidráulico o 13.5 Torre de suministro 14 CONSTRUCCION ELECTRONICA o 14.1 El riego automatico o 14.2 Captacion de energía por panel solar o 14.3 Sensor de temperatura 15 FUNCIONAMIENTO DE LAS PARTES QUE CONFORMAN UN INVERNADERO INTELIGENTE o o o o

38 39 40 41-42 43 44-45 46 46-47 48-49-50 51-52 53

15.1 Estructura general 15.2 Jardineras 15.3 Sistema hidraulico 15.4 Torre de suministro de recursos

53 53 53 54 3

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16 VALIDACION o 16.1 Primer prueba de funcionamiento o 16.2 Segunda prueba de funcionamiento 17 CONCLUSIONES 18 PERSPECTIVAS (Trabajos futuros) APENDICES GLOSARIO BIBLIOGRAFIA

55 56 57 58 59 60-61-62 63-64-65 66

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INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 PIC16F84A por cortesia de Microchip…………………….………………………………………………………….……………………….20 Figura 1.2 diagrama donde se muestran todas las características del PIC con base a sus terminales………………………….21 Figura 1.3 Ilustración donde se muestra el funcionamiento de un sensor de humedad……………………………………………….24 Figura 1.4 Transductor LM 35 el cual es útil para un sensor de temperatura………………………………….……………..……….…25 Figura 1.6-Funcionamiento de sensor de ondas infrarrojas…………………………………………………………………………….…..…..26 Figura 1.7 – Fototransistor y sus terminales…………………………………………………………………………………………………….….27 Figura 1.8 – Partes internas de un servomotor ………………………………………………………………………………………………………..27 Figura 1.9 - Modulación por ancho de pulso………………………………………………………………………………………………….……28 Figura 1.10 – Terminales del transductor LM 35……………………………………………………………………………………….……………...29 Figura 1.11 –Características principales de un amplificador operacional………………………………………………………….……..30 Figura 1.12- Circuito Amplificador. Básico. …………………………………………………………………………………………………..………30 Figura 1.13 - Circuito Multiplicador de ganancia constante………………………………………………………………………………….…30 Figura 1.14 - Circuito integrador……………………………………………………………………………………………………………………..…31 Figura 1.15 -Circuito Amplificador sumador…………………………………………………………………………………………………..…….……31 Figura 1.16 - Circuito integrador sumador…………………………………………………………………………………………………………….…..31 Figura 1.17 -Circuito diferenciador……………………………………………………………………………………………………………………………..31 Figura 1.18 – Transmisión inalámbrica mediante una red WIFI………………………………………………………………………..………32 Figura 1.19 planteamiento del problema…………………………………………………………………………………………………………..…..33 Figura 1.20 – Cubierta de acrílico para el invernadero…………………………………………………………………………………………..…..36 Figura 1.21 – Cubierta plástica………………………………………………………………………………………………………………………….…..36 Figura 1.22 – Ejemplo de un invernadero………………………………………………………………………………………………………………..36 Figura 1.23 – Estructuras metálicas………………………………………………………………………………………………………………….…..36 Figura 1.24 – Acrílico………………………………………………………………………………………………………………………………….……….37 Figura 1.25 – Tubería para el sistema hidráulico……………………………………………………………………………………………..…….37 Figura 1.26 – Panel solar………………………………………………………………………………………………………………………………..……37 Figura 1.27 - Diseño de la estructura exterior del invernadero…………………………………………………………………………………..39 Figura 1.28- Bosquejo del invernadero desde la estructura interna…………………………………………………………..………..……..39 Figura 1.29 - Aplicación de silicón a las piezas de acrílico………………………………………….………………………………………..…….39 Figura 1.30 -Estructura del invernadero terminada……………………………………………………………………………………………………39

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Figura 1.31 - Diseño de las jardineras…………………………………………………………………………………………………………………………40 Figura 1.32 -Acrílico después de ser pegado, ya formando la estructura deseada…………………………………………..……….…40 Figura 1.33- Jardineras terminadas…………………………………………………………………………………………………………………………..40 Figura 1.34- Arquitectura del domo………………………………………………………………………………………………………………………….41 Figura 1.35- Partes del domo…………………………………………………………………………………………………………………………..……41 Figuras 1.36, 37, 38, 39 Vistas superiores del domo y sus características………………………………………………………………….42 Figura 1.40 - Vista del sistema hidráulico……………………………………………………………………………………………………………….….43 Figura 1.41-Instalacion hidráulica……………………………………………………………………………………………………………………………..43 Figura 1.42-Torre de suministro…………………………………………………………………………………………………………………………..…..44 Figura 1.43 - Detalle de la bomba para agua…………………………………………………………………………………………………………..…44 Figura 1.44- Panel solar y posicionamiento de los sensores……………………………………………………………………………………….45 Figura 1.45 Placas de sensores de humedad, procesamiento de información y Optoacoplador………………………..………..46 Figura 1.45 – Diagrama de flujo y código de programación……………………………………………………..……………………………….47 Figura 1.46-Diagrama a bloques del funcionamiento electrónico para posicionamiento de panel solar…………….……..48 Figura 1.47 Placa de sensor de rayos infrarrojos en vista normal……………………………………………………………….……………49 Figura 1.48 Placa de sensor de rayos infrarrojos en vista real…………………………………………………………………………..……..49 Figura 1.49Placa de procesamiento mediante PIC vista normal………………………………………………………………………………..49 Figura 1.50Placa procesamiento mediante PIC en vista real……………………………………………………………………………..………49 Figura 1.51Diagrama de flujo sensores de rayos infrarrojos………………………………………………………………………………….…..50 Figura 1.52 Diagrama a bloques del sensor de temperatura………………………………………………………………………………………51 Figura 1.53 Vistas de las placas en vista normal y real del sensor de temperatura…………………………………………….…….51 Figura 1.54 Diagrama de flujo sensor de temperatura……………………………………………………………………………………….………52 Figura 1.55-Estructura exterior del invernadero………………………………………………………………………………………………………..53 Figura 1.56 –Jardinera………………………………………………………………………………………………………………………………..……………..53 Figura 1.57-Salida del agua en el sistema hidráulico……………………………………………………………………..…………………………..53 Figura 1.58- Características de la torre de suministro de recursos……………………………………………………………………….……..54

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 - Características de los invernaderos y tipos que existen.-------------------------- 9

Tabla 1.2 - Características que ofrece el PIC 16F84A-----------------------------------------------------------16

Tabla 1.3 Primer prueba de funcionamiento---------------------------------------------------------------------54

Tabla 1.4 segunda prueba de funcionamiento-------------------------------------------------------------------55

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ABSTRACT. INTELLIGENT GREEN HOUSE… An automatic ecosystem. Our project INTELLIGENT GREEN HOUSE has as a purpose keep a constant balance in a greenhouse ecosystem type, that is to say, that it has the necessary conditions to lodge the guests… The plants. How did we obtain this? The INTELLIGENT GREENHOUSE consists of four sensorial answers which will give the principal activity of maintenance to the ecosystem. Humidity sensor: this sensor will have the purpose of keep us informed of the conditions in which is the earth where we lodge our plants, besides to send a logic answer to an a microcontroller which will be in charge of activate or deactivate the irrigation system according to the sensorial answer. Infrared ray sensor: It will have the mission of inform to the microcontroller into the intensity of infrared rays that are outside and depending on the sensor’s answer, the microcontroller will position the solar panel, this is with the purpose of make good use of the benefits that solar light gives to our point of energize the whole electronic systems. Temperature sensor: Finally we got this sensor, which will be in charge of measuring the temperature inside the greenhouse, giving an analogical answer which will be send to ADC (Analogue to Digital Converter) of our microcontroller and this answer will be the responsible of that the microcontroller active a servo motor which will open a ventilation over the greenhouse, until the temperature reaches an ideal condition for our plants.

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INTRODUCCION La automatización es la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana. Resulta sumamente interesante saber cómo es posible que diversos sistemas sean tan precisos, rápidos, económicos y sobre todo, autónomos. Pues gracias a la automatización es como obtenemos todas estas grandes ventajas. El presente trabajo trata de explicar la resolución de un problema que se planteó y la motivación para darle una solución eficaz por medio de la automatización. Los invernaderos… El proyecto a tratar. Se habla de cómo se aplica la automatización por medio de un conjunto de subsistemas dentro de un invernadero para lograr una autonomía y mayor eficiencia de este , la construcción de dichos sistemas, que recursos fueron empelados para su elaboración, que compone a cada uno de los subsistemas que integran al invernadero así como el funcionamiento de estos. El primer tema que se tratara es un marco teórico donde se da a conocer cómo cambia un concepto de invernadero común a un invernadero inteligente.

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MOTIVACIÓN Nuestra motivación se basa en mostrar una mejor manera de cultivar en un invernadero ayudándonos de la automatización. Tomando en cuenta las ventajas que se podrían tomar de ello, llevándolo a situaciones reales donde el clima y/o el suelo impiden el desarrollo de las plantas, frutas y vegetales que sustentan la dependencia económica de las personas que los cultivan. Y de esta forma ponemos nuestra propuesta a escala para darnos una idea de lo que podría ser en un tamaño real. Queremos hacer de esto una visión más de la utilidad que tiene la automatización, ya que ya existe una empresa con un margen muy similar al que usamos como proyecto de invernadero inteligente, así que nosotros deseamos mostrarlo de manera que se vea lo que hemos aprendido de sistemas digitales, y como éstos conocimientos se aplican en la industria para favorecerla.

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Lograr automatizar un sistema de invernadero por medio de circuitos electrónicos, microcontroladores PIC y sensores que operen en sincronía. Proporcionando la energía mediante fuentes amigables con el ambiente. OBJETIVOS PARTICULARES: Generar el riego de los cultivos automáticamente cuando estos lo necesiten. Ventilar los cultivos automáticamente cuando la temperatura dentro del invernadero sea inadecuada para el tipo de cultivo que se aloje dentro de él. Energizar los circuitos electrónicos por medio de la captación de energía solar, esto con el fin de que sea un invernadero ecológico y no tenga repercusiones negativas al medio ambiente.

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MARCO TEORICO 1

HABLEMOS DE LOS INVERNADEROS.

Un invernadero es un edificio con paredes de vidrio o plástico translucido, es empleado para el cultivo y la conservación de plantas delicadas, también es usado para forzar el crecimiento de plantas fuera de temporada. Los invernaderos están ideados para transformar la temperatura, humedad y luz, logrando así condiciones ambientales similares a otros climas. Los invernaderos pueden variar en su construcción para adecuarse al terreno en el que se instalara el cultivo.

1.1 UN POCO DE HISTORIA. Se tiene que los primeros usos de un invernadero se dieron en la época romana, ya que se tiene en escritos que por las exigencias de emperadores en sus dietas, ya que pedían comer cosas fuera de temporada o exóticas, así que un jardinero había instalado su propia manera artificial de cultivar la cual es un método utilizado aun en la actualidad, el cual consiste en crear condiciones de una cierta manera permanente para que pueda ser cultivada en todo momento. Durante el S.XIII, en Italia se hizo una fabricación de edificios con la función de hacer crecer plantas exóticas, después se extendió esta idea a lo que es Inglaterra y los países bajos; aunque en ese entonces presentaba problemas deficientes como escases de aire y el flujo del calor normal, lo que provocaba que los cultivos no se desarrollaran de una manera adecuada o murieran en corto tiempo. Después, estos los “jardines botánicos” solo eran utilizados en países de altos recursos económicos como Inglaterra, Italia, Alemania, etc. y en algunas universidades reconocidas comenzaban su experimentación para el mejoramiento y perfección de estos, enfocándose en la ventilación, el espacio, las plantas que se pueden mantener ahí, etc. En el S. XVII se produce la tecnología para fabricar cristales que serían utilizados en la construcción de edificios de invernaderos, además se desarrolla una mejor manera en su construcción de tal manera que fuera más práctico o más útil para las plantas que eran necesarias y con el cristal ya se podía mantener un ambiente más cálido. Para el S. XIX se crean los invernaderos de gran tamaño e importancia como el de Inglaterra llamado “new gardens”. En la actualidad existen invernaderos más grandes y su uso es más frecuente, esto es gracias a la ventaja del sistema de invernadero sobre el método tradicional a cielo abierto, ya que bajo invernadero, se establece una barrera entre el medio ambiente externo y el cultivo. Esta barrera limita un microclima que permite proteger el cultivo del viento, lluvia, plagas, enfermedades, hierbas y animales. Igualmente, esta protección permite al agricultor controlar la temperatura, la cantidad de luz y aplicar efectivamente control químico y biológico para proteger el cultivo. Países como México y España han desarrollado la tecnología del invernadero para lograr mejoras en su producción. La producción de jitomate en la zona del bajío Mexicano y los campos de Almería en España.

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2 TIPOS DE INVERNADEROS.

TIPOS PLANO O TIPO PARRAL

RASPA Y AMAGADO

ASIMÉTRICO

DEFINICIÓN La estructura de estos invernaderos se encuentra constituida por dos partes, una estructura vertical y otra horizontal. Su estructura es muy similar al tipo parral pero varía la forma de la cubierta. Se aumenta la altura máxima del invernadero en la cumbrera, formando lo que se conoce como raspa.

Aumento de la superficie en la cara expuesta al sur, con objeto de aumentar su capacidad de captación de la radiación solar. CAPILLA Tiene la techumbre formando uno o dos planos inclinados, según sea a un agua o a dos aguas. TIPO TÚNEL O Se caracteriza SEMICILÍNDRICO por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica.

VENTAJAS/DESVENTAJAS -Ventajas: Económico, adaptación a los terrenos, resistencia al viento, aprovechamiento de agua.

IMAGEN

-Desventajas: Poco volumen de aire, rápido envejecimiento, no aconsejable en lugares lluviosos, dificultad en cultivo, fragilidad. -Ventajas: Economía, buen volumen, inercia térmica, poca humedad, ventilación. -Desventajas: Diferencias de luminosidad, no aprovecha las aguas pluviales, se dificulta cambio de plástico

Ventajas: Aprovechamiento de la luz, económico, buena ventilación, inercia térmica. Desventajas: no aprovecha el agua, perdidas de calor, se dificulta el cambio de plástico

Ventajas: Fácil construcción, facilidades para la evacuación del agua Desventajas: A veces se dificulta la ventilación

Ventajas: Buena ventilación, buen reparto de luminosidad, fácil instalación. Desventajas: Caro, no aprovecha el agua.

Tabla 1.1 - Características de los invernaderos y tipos que existen.

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IMPORTANCIA DE UN INVERNADERO EN LA PRODUCCIÓN AGRÍCOLA

Un invernadero ayuda a mantener un clima adecuado para la producción no solo de flores, sí no también de productos agrícolas como verduras, frutas, etc. Los cuales son elementos básicos en la alimentación de las personas tanto en zonas rurales como en urbanas, la función del invernadero en la producción agrícola se fundamenta en que se pueden mantener productos fuera de temporada, lo cual provoca una mayor producción para una demanda fuerte proveniente de ciudades altamente pobladas como la Ciudad de México. Además, una de las ventajas del invernadero es que pueden ser usadas en comunidades para beneficio de las mismas que no tienen cerca recursos para comprar alimentos y no es necesario tener grandes conocimientos de jardinería y botánica para poder mantenerlo en uso.

3.1 ¿DÓNDE SE NECESITA UN INVERNADERO? Lo invernaderos frecuentemente son utilizados cuando se requiere acelerar el cultivo con ciertas condiciones de clima, las cuales son proporcionadas por el invernadero. Pero donde puede ser más útil su uso es en las zonas áridas donde no llueve muy seguido, así como en climas hostiles con cambios muy dramáticos, ya sea frio o calor, que afectan a las plantas de los cultivos. LAS VENTAJAS DEL USO DE UN INVERNADERO EN ESTAS ZONAS Y EN GENERAL SON: DIFUSIÓN DE LUZ.- Porque un invernadero puede cambiar la dirección de los rayos solares distribuyéndola equitativamente por toda el área para beneficiar a todo el invernadero en su conjunto y a la vez impedir que lleguen directamente a la planta. La luminosidad se puede obtener en mayor o menor grado dependiendo del diseño y cubierta del invernadero. Este aspecto permite el buen desarrollo del cultivo y ayuda a la mejor obtención de frutos.

FOTOSÍNTESIS.- El proceso fotosintético se ve favorecido dentro del invernadero, debido a la forma en que es difundida la luz y a la conservación de temperaturas.

MICROCLIMA.- Manejar un microclima que permite controlar y mantener las temperaturas óptimas, aporta que las plantas sean más abundantes y de mejor calidad, también puede permitir programar las cosechas para épocas de escasez. Con esto, podemos saber que la real ciencia de los invernaderos, es el poder mantener la temperatura de los rayos focalizada, en su interior. Lo cual eleva la temperatura interna del invernadero. Por medio de la concentración de calor dentro del mismo. Esto permite que muchísimas plantas se puedan dar de mejor manera. Más aún, cuando se trata de algunas que con las bajas temperaturas del invierno se marchitan o sufren por éste cambio. Es por lo mismo, que un invernadero, es una herramienta efectiva, para poder cultivar plantas, independiente la época del año, en que se está viviendo.

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¿QUÉ DESEAMOS EN UN INVERNADERO?

Dentro de los aspectos que debe proporcionar un invernadero para considerarse efectivo están: El aire, en éste aspecto podríamos tomar en cuenta las dimensiones con las que construimos el invernadero, éstas deben ser de un tamaño que permita a las plantas respirar, también está la ventilación, que podemos usar para brindar un poco de brisa a nuestras plantas de vez en cuando. La temperatura, es muy importante que está se mantenga en el rango ideal para las plantas, ya que si el interior ésta muy frio o muy caliente, puede afectar en el desarrollo de las mismas. El riego, sabemos que un invernadero proporciona cierto ahorro de agua ya que usualmente su interior es un poco húmedo, pero es importante tener en cuenta la forma en que se van a regar las plantas, fijándonos en que sea de forma distribuida y eficaz para tener un consumo moderado de agua. También ésta la iluminación, en éste aspecto podemos tomar en cuenta la posición del invernadero, lo más eficaz es ubicarlo viendo hacia el norte y a medida que avance el día los rayos del sol se distribuirán muy bien en su superficie proporcionando mejor iluminación para las plantas. Tipo de suelo. Se deben elegir suelos con buen drenaje y de alta calidad aunque con los sistemas modernos de ferti-riego es posible utilizar suelos pobres con buen drenaje o sustratos artificiales. Por último el clima que se maneja dentro del invernadero dependiendo de las necesidades de las plantas que le vayamos a introducir.

Hasta ahora hemos estado tratando el concepto común de lo que es un invernadero pero es tiempo de incluir un nuevo concepto, “La Automatización.” Lo que se desea plantear ahora es el cómo la aplicación de la automatización cambia de una perspectiva de invernadero común a un invernadero automatizado.

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EL INVERNADERO INTELIGENTE

La revolución de la capsula de cristal Cuando nos referimos a un invernadero nos imaginamos una gran cubierta transparente con muchas plantas creciendo en su interior, vemos jardineros podando y regando flores y arbustos llenos de colores y texturas, todo esto con el fin para que su crecimiento y estancia sean los adecuados. Este concepto de invernadero con el paso del tiempo y los adelantos tecnológicos cada vez más sorprendentes está quedando solo en un paradigma. ¿Es acaso que los invernaderos como los conocemos están desapareciendo? La respuesta no radica en que estos sistemas desaparezcan, la respuesta se centra en que estamos en medio de una revolución tecnológica donde se forman nuevos aspectos que van desde la vida cotidiana hasta la automatización de complejos sistemas manufactureros.

5.1 ¿CUÁL ES LA VENTAJA QUE ESTA REVOLUCIÓN TECNOLÓGICA NOS OFRECE? Son muchas las ventajas que nos ofrece la a automatización, como sobre la mejora en la productividad de una empresa, mejorar las condiciones de trabajo del personal, simplificar el mantenimiento de dichos sistemas, Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento y se mejora la seguridad de las instalaciones.

Existe otro rubro muy importante que debemos tratar sobre estas tecnologías, el cual es que a pesar que nos traen bastantes beneficios también nos han perjudicado en cierta forma. Ahora vivimos en un mundo distinto al de hace 60 años donde la calidad del aire ya no es óptima, donde constantemente hay cambios de temperatura más hostiles, esto es porque hemos dejado a un lado una visión más limpia, más amigable con nuestro medio. Es por eso que el proyecto “INVERNADERO INTELIGENTE” cuenta con la tecnología adecuada para convivir de una forma sana con nuestro planeta, incorporando sistemas de energía renovable como lo es la luz solar haciendo uso de paneles solares que dotaran de energía en todo momento al invernadero inteligente.

Nosotros hemos aprovechado estas nuevas tecnologías y tomando en cuenta las ventajas ofrecidas por estas aplicamos el concepto de inteligencia a la autonomía de un invernadero, con el objetivo de que este sea capaz de entender, asimilar y manejar información en favor de obtener mejoras en la calidad , es decir que al aplicar un sistema automatizado en un invernadero obtendremos un máximo provecho de los recursos que este puede dar. Estos son ejemplos de las ventajas que tenemos al aplicar el sistema automatizado: Mejora en la producción de las especies sembradas. Mejora en la calidad de los productos. Creamos nuevos puestos de trabajo. Monitoreo exhaustivo, práctico y más preciso de comportamiento de las especies que habitan el invernadero y las condiciones que se encuentra el invernadero.

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5.2 ¿COMO LOGRAMOS LA AUTOMATIZACION? Sabemos que la automatización se da por de medio sistemas de control con poca intervencion humana. ¿pero que es lo que entedemos por un sistema de control? Definimos a un sistema como el ordenamiento de componentes fisicos unidos o relacionados de tal manera que mandan, dirigen o regulan al sistema. CUATRO CONCEPTOS SUMAMENTE UTILES PARA COMPRENDER LO QUE ES UN SISTEMA SON : ENTRADA: Una entrada es un estimulo, la exitacion o el mando aplicado a un sistema de control, Usualmente es usada para producir una repsuesta especifica del sistema SALIDA: Es la repsuesta real que se obtiene de un sistema de control . Esta puede ser o no igual a la repsuesta implicta especificada por la entrada. Conociendo estos conceptos , ahora podemos adentrarnos a la clasificacion de los sistemas de control . SISTEMAS DE LAZO ABIERTO: Es aquel en el cual la accion de control es independiente de la salida. SISTEMA DE LAZO CERRADO: Es aquel en el cual la accion de control depende de alguna manera de la salida.

Tomando en cuenta la clasificacion de los sitemas de control podemos aclarar que el INVERNADERO INTELIGENTE es un sistema de control de LAZO CERRADO , ya que sus diversos subsistemas son retroalimentados , es decir que su salida depende de la entrada. Un ejemplo es el sistema de riego el cual se activara cuando la entrada que reciva el subsitema indique que la tierra esta seca y detendra el riego cuando la entrada reciva informacion de que la tierra ya no esta seca, su funcionamiento es retroalimentado ya que la accion tomada esta dependiendo de la salida.

El sensor de espectro uv es un ejemplo mas de un subsistema que forma parte del sistema de control del invernadero inteligente , ya que este recolecta informacion atraves de los sensores , dicha informacion es asimilada por el microcontrolador y dependiendo de la salida que de el sensor es la accion tomada por el microcontrolador para mover por N tiempo el servomotor que orienta el panel solar . ¡Y ASI LOGRAMOS LA AUTOMATIZACION! Logramos la automatización por medio de la unión de varios subsistemas que conforman a un sistema más grande. Este sistema (INVERNADERO INTELIGENTE) es capaz de realizar funciones de manera independiente a la mano humana es decir, que es un sistema autómata.

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EL CONTROL COMO HERRAMIENTA FUNDAMENTAL

El control es una parte esencial en el invernadero, ya que con el podemos lograr el comportamiento deseado de las partes automatizadas que usamos. Éste control puede ser realimentado o anticipatorio, en lazo abierto o cerrado, también permite la exploración de posibles comportamientos en presencia de incertidumbre, ruido, y fallas de componentes. Los objetivos que si fijaron haciendo uso del control son: -Garantizar la estabilidad y ser robusto frente a perturbaciones -Ser tan eficiente como sea posible, evitando comportamientos bruscos e irreales -Ser de fácil implemento y cómodo de operar con ayuda de un ordenador Los elementos básicos que forman nuestro sistema de control son: -Sensores: permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema -Controlador: utilizando los valores de entrada y la respuesta obtenida, determina la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a la salida deseada. -Actuador: es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control.

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6.1 MICROCONTROLADOR PIC Para la estructura electrónica y de programación de nuestro proyecto, uno de los dispositivos a usar es el Microcontrolador PIC, para eso es importante saber porque lo escogimos como opción para realizar ciertas funciones en la circuitería Un Microcontrolador PIC (controlador de interfaz periférico) es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados en lenguaje ensamblador por el usuario, y son introducidos en este a través de un programador. El PIC está compuesto por: Memoria de datos, memoria de programa, unidades de entrada y salida, generador de pulsos de reloj, timers y contadores en los cuales opcionalmente se puede incluir: controladores de interrupciones, clock interno, comparadores, PWM (Modulación por ancho de pulso), y convertidores A/D (Analógico digital) o D/A (Digital analógico). Las principales ventajas de usar microcontroladores son: -Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo -Aumento de fiabilidad: Menor riesgo de averías Menos ajustes -Disminución del tamaño del circuito: Menor volumen Mano de obra -Disminución de costo del circuito.

Figura 1.1 – PIC 16F46A por cortesía de microchip

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Tabla 1.2 - Características que ofrece el PIC 16F84A

Figura 1.2 – Diagrama donde se muestra todas las características del PIC con base a sus terminales

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6.2 SENSORES Un sensor es un dispositivo que convierte una variable física que se desea medir en una señal eléctrica que contiene la información correspondiente a la variable que se detecta. Para ello el sensor suele ir acoplado a un circuito que convierte la señal de éste a valores adecuados para que dicha señal se pueda capturar. Como etapa intermedia se debe realizar la calibración o ajuste de la medida del sensor, para así controlar la sensibilidad con que va poder detectar la señal que mandara al circuito. Finalmente, se procede a la etapa de adquisición, para su procesamiento, registro o presentación. Los sensores cuentan con ciertas características que hay que tomar en cuenta: Resolución: es la mínima variación, dentro del rango de medida, que es apreciada por el sensor como un cambio de su salida. Precisión: es la tolerancia de la medida, con lo que define los límites del error, garantizando que la medida se encontrará con toda seguridad en el rango definido. Repetitividad: es el grado de precisión en la repetición de una medida que se realiza de forma consecutiva y bajo las mismas condiciones, incluida la dirección de variación del estímulo de entrada. Sensibilidad: indica la variación que experimenta la medición con la variación de la variable medida, o sea, es la razón de cambio de la salida ante los cambios en la entrada, y por tanto es mejor cuanto mayor sea. Exactitud: Diferencia entre la salida real y el valor teórico de dicha salida Rango: Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de error aceptable. Deriva: variación de la salida esperada del sensor debido a cambios de temperatura, humedad, envejecimiento, etc. Además, todo dispositivo presenta unas condiciones ambientales de operación, fuera de las cuales no se garantiza su funcionamiento, y que en el caso de los sensores, aún con un funcionamiento correcto provocan desviaciones de las medidas que pueden resultar importantes.

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6.3 SENSOR Y TRANSDUCTOR Es importante mencionar que no es lo mismo decir sensor y transductor, lo cual es un error muy común, un transductor es todo aquel componente que está siempre en contacto directo con el ambiente con el que va a interactuar, mientras que sensor es la circuitería necesaria para que la señal que manda el transductor pueda ser convertida a una señal del tipo digital y pueda ser procesada por algún otro componente que adquiera esos datos digitales. Existen diferentes tipos de transductores los cuales solo mencionaremos a continuación:

Transductores de presión: Transductores resistivos: Transductores magnéticos: Transductores capacitivos: Transductores piezoeléctricos: Transductores mecánicos: Transductores térmicos: Transductores bimetálicos: Transductores de ionización: Transductores de filamento caliente: Transductores de cátodo frio Transductores de radiación

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6.3.1 SENSOR DE HUMEDAD

Con éste sensor se trata de utilizar la conductividad que muestra la tierra, la cual va a ser mayor mientras más sea la cantidad de agua presente en ella. Se introducen dos electrodos separados por cierta distancia, para luego ser sometidos a una diferencia de potencial constante. La corriente circulante será entonces proporcional a la cantidad de agua presente en la muestra. Cuándo no exista humedad en la tierra, el sensor mandara un 0 al PIC, lo cual provocara que se active el sistema de riego durante unos segundos para así mantener a las plantas hidratadas.

Figura 1.3 – Ilustración donde se muestra el funcionamiento de un sensor de humedad.

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6.3.2 SENSOR DE TEMPERATURA: Este dispositivo no es más que un circuito que se encarga de registrar la temperatura que hay en cierto ambiente con ayuda de un transductor conocido como LM35, cuya función es la de aumentar una corriente de salida cuando capta una temperatura elevada, este transductor tiene una forma de transistor ya que solo tiene 3 terminales, las cuales dos de ellas son para la alimentación (VCC y GND) y la tercera terminal es la que de una corriente de salida cuyo valor depende de la cantidad de temperatura que sea capaz de registrar.

Figura1.4 – Transductor LM 35 el cual es útil para un sensor de temperatura

Al dar la corriente, el problema es que sale con un valor muy pequeño, y lo que se puede hacer es mandar ese valor a una etapa de amplificación, esto es con ayuda de amplificadores operacionales, los cuales con circuitos lineales, ya que solo tienen 5 terminales (no son número par como los circuitos normales). Este componente tiene varias formas de conectarse. Después de esto, para ver al aumento o descenso de temperatura se le pueden conectar unos diodos LED que a su vez tienen que estar conectados a otro amplificador por cada diodo LED y a unos divisores de voltaje, para que tenga un buen funcionamiento o en su defecto se puede enviar la información al PIC para que pueda procesarla y hacer al función que el programa le ordene. Figura 1.5 – Amplificador operacional básico de 5 terminales

.

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6.3.3 SENSOR DE ONDAS DE LUZ INFRAROJA El comportamiento de los rayos de sol es doble, por un lado es un haz y por otro lado es una onda. Para producir luz, el sol emite un haz de luz, que llega a la Tierra en línea recta. Las ondas producen calor, luz y color. El color puede medirse en un espectro total de luz, compuesto por tres elementos. 1-Ondasde luz infrarroja. 2- Espectro electromagnético: Este contiene todos los colores del arco iris. El color violeta se ve con la menor longitud de onda, y el rojo con la mayor longitud de onda, y en el medio todos los demás colores. 3- Rayos ultravioleta. Hemos elegido las ondas de luz infrarroja para aplicarlas dentro de un sensor que sea capaz de percibirlas. La función de este sensor es ubicar un panel solar de acuerdo al posicionamiento del sol en las distintas etapas del día. Lo hace por medio de receptores y emisores, en este caso los receptores son fototransistores y el emisor son los rayos de luz infrarroja provenientes del sol. Los fototransistores se calibran para que se obtenga un mayor alcance de los rayos infrarrojos que llegan a estos.

Figura 1.6-Funcionamiento de sensor de ondas infrarrojas

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FOTOTRANSISTOR Es un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción.

Figura 1.7 – Fototransistor y sus terminales.

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ELEMENTOS QUE CONFORMAN Y SON CONTROLADOS POR SENSOR

7.1 SERVOMOTOR Este dispositivo tiene la capacidad de poder convertir energía eléctrica en mecánica, ya que gracias a un motor de corriente continua genera movimiento, pero esta no es su característica especial, si no que este dispositivo posee un circuito diminuto con un potenciómetro denominado circuito de control, el cual tiene la función de colocar la posición del eje del motor en un ángulo especifico, por esta razón, este dispositivo es muy usado en robots donde se requiere que el actuador sea preciso Pero también hay que reconocer que el servomotor no puede dar una vuelta completa debido a que conforme va dando el giro, el potenciómetro llega a su límite de giro y aparte dentro de la sección de engranaje uno de los engranes tiene un obstáculo que no permite al motor girar los 360 grados. A continuación se muestran las partes de un servomotor:

Caja reductora Motor de corriente continúa Circuito

Figura 1.8 – Partes internas de un servomotor

La caja de engranaje de los servomotores tienen la función de un motoreductor, ya que se necesita que este tipo de motores tenga la capacidad de que pueda soportar una cantidad de peso necesario para mover objetos muy diversos como brazos, piezas mecánicas pesadas etc. 27

También hay que especificar que los servomotores poseen tres cables identificables por los colores que revelan su función, por lo regular son: Rojo, Amarillo y Negro, uno de ellos representa la línea de voltaje, el cual alimenta el circuito interno, otro cable está destinado a GND del circuito, y una tercera línea es la que transporta los pulsos generados por un dispositivo denominado pwm. Estas siglas representan, modulación por amplitud de pulso.

Figura 1.9 - Modulación por ancho de pulso

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7.2 TRANSDUCTORES De esta lista el transductor que usaremos será del tipo térmico y resistivo, ya que en el primero (térmico) está en el sensor de temperatura, el segundo (resistivo está incluido en la plataforma de la foto celda. El transductor térmico es el dispositivo que al detectar o estar en presencia de altas temperaturas la respuesta que tiene es la de variar la corriente que pasa al alimentar el circuito interno del transductor, el componente que utilizamos (lm35) tiene tres terminales las cuales dos de ellas están dispuestas para la alimentación del circuito, y la tercera es para la señal de salida en respuesta a la temperatura.

GND

SALIDA

VCC

Figura 1.10 – Terminales del transductor LM 35

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7.3 AMPLIFICADOR OPERACIONAL Es un amplificador diferencial de muy alta ganancia con alta impedancia de entrada y alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los usos típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional (Amp. Op.) Contiene varias etapas de amplificadores diferenciales para alcanzar una muy alta ganancia de voltaje. Amplificador operacional básico

V+

Entrada 1 Entrada no inversora Salida Entrada 2 Entrada inversora

VFigura 1.11 –Características principales de un amplificador operacional

Este dispositivo se creó alrededor de los años 40 y tiene muchas aplicaciones, y en especial porque tiene varias maneras de conectarse, a continuación se darán unos ejemplos de las configuraciones del amplificador operacional apoyándonos con un software llamado livewire el cual es un simulador de circuitos:

Figura 1.12- Circuito Amplificador. Básico.

Figura 1.13 - Circuito Multiplicador de ganancia constante.

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Figura 1.14 - Circuito integrador

Figura 1.16 - Circuito integrador sumador

Figura 1.15 -Circuito Amplificador sumador

Figura 1.17 -Circuito diferenciador

Estas configuraciones son de una gran utilidad para circuitos donde se llegan a utilizar sensores, por ejemplo en nuestro proyecto utilizamos un comparador en el circuito de uno de los sensores (sensor de temperatura) y gracias a la señal de salida de este dispositivo, se pueden manejar otros dispositivos.

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COMUNICANDO EL ENTORNO

Es momento de hablar de las redes digitales las cuales pueden de ser de mucha utilidad para nuestro propósito, estas nos ofrecen algunas ventajas para el diseño de un invernadero inteligente. Un ejemplo es que podría ser usada como una herramienta de monitoreo del entorno del invernadero, hasta actuar de manera independiente al sistema autónomo que conforma al invernadero.

DEFINAMOS A LAS REDES. Una red digital es un conjunto de dispositivos que permiten la comunicación a distancia entre equipos. Normalmente se trata de transmitir datos, audio y video ya sea por medio de una red alámbrica o inalámbrica atraves de diversos medios (Aire, cable de cobre, cable de fibra óptica, etc.) En nuestro caso se empleara una red del tipo inalámbrica y alámbrica, es decir se emplearan medios de transmisión que por medio de cables y medios de transmisión que no los necesiten. Medio de transmisión inalámbrica

MODULO DE OPTOACOPLACION

Medio de transmisión alámbrica

Figura 1.18 – Transmisión inalámbrica mediante una red WIFI.

Existen diversas formas de implementar una conexión sin cables, por ejemplo: INFRAROJA: Es por medio de luz infrarroja la cual manda información de una parte a otra sin necesidad de cables. La transmisión debe ser en línea recta. WI FI: Es un sistema de envió de datos que utiliza ondas de radio en lugar de cables. Suele ser costosa en comparación con redes alámbricas. BLUETOOTH : Es una red inalámbrica de área personal que posibilita la transmisión de voz y datos entre distintos dispositivos mediante radiofrecuencia en la banda ISM de 2.5 GHz Una sección del proyecto INVERNADERO INTELIGENTE cuenta con la posibilidad de conectarse de forma alámbrica a un ordenador conectado en red inalámbrica ya sea a otros ordenadores o y o dispositivos móviles (teléfonos celulares) con la finalidad de que sea accionado a distancia. Esto posibilita la transmisión de datos por medio de un control remoto conectado en red a un ordenador que aloja el programa que acciona el sistema de riego de los cultivos. 32

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La necesidad de un invernadero automatizado depende de varios factores, de ser un invernadero común y corriente, las necesidades son las usuales de mantener el cultivo en un entorno favorable, pero al hablar de automatización, agregamos unos aspectos más que proporcionan mayores beneficios y la posibilidad de ahorrar el tiempo que se podría tomar cuidando manualmente un cultivo. Para esto vamos a plantear el problema dividiéndolo, primeramente, a nivel global, en el cultivo y en la automatización para conocer más a fondo las necesidades que deben cubrirse empleando nuestra propuesta.

Figura 1.19 planteamiento del problema

9.1 NIVEL GLOBAL. En la actualidad ya es muy notable el problema más grave que puede existir para las personas, el cual es el calentamiento global, y uno de sus principales efectos es el cambio climático, lo que provoca que en las zonas agrícolas haya una variación de las temporadas en función de la temperatura del ambiente, esto puede provocar que solo pueda existir poca producción y consecuentemente la escases. Pero este problema no se dio por sí solo, fue por la acción indirecta de las personas, ya que los automóviles (principalmente), aerosoles, gases de congelador, emanaciones de combustión, etc. Son los verdaderos causantes de los fenómenos que producen dicho mal, y que la gente usa a diario. Otro problema que nos estamos enfrentando es la sobrepoblación, lo que va a generar que las ciudades crezcan, pero si esto pasa, las grandes extensiones de áreas verdes van a ir desapareciendo, y hay que recordar que no solo es una sola ciudad, porque al menos en México hay tres ciudades importantes, pero también hay otras muchas ciudades en vías de crecimiento y muchos poblados.

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9.2 NIVEL CULTIVO A veces en zonas donde hay climas que impiden el desarrollo de cultivos, se necesita de un sistema que ayude proporcionando el ambiente ideal del que requieren las plantas para lograr su buen crecimiento dentro de un medio en el que los factores externos sean algo sin importancia. Cuando se quiere sembrar en una zona poco fértil, lo más probable es que no se de la cosecha, y si hay brotes, es muy difícil que se mantengan estables hasta su maduración. Cuando se cuenta con un ambiente templado y húmedo el cultivo puede incluso crecer más rápido de lo normal y, en consecuencia, proporcionar una mejor y más abundante cosecha que si se sembrara a la intemperie en un clima desfavorecido.

9.3 NIVEL AUTOMATIZACIÓN Como se ha mencionado ya, al hacer uso de un invernadero, obtenemos el beneficio de un cultivo creciendo en un entorno favorable a su desarrollo, el problema se deriva de que en algunas ocasiones no se cuenta con el tiempo necesario para atender esta instalación, ni para verificar si las plantas requieren más agua o ventilación, etc. Para estos casos, se requiere de un sistema que realice este trabajo por nosotros, garantizando también ser completamente fiable y efectivo, de manera que ahorre ese rato de atención al cultivo permitiéndonos realizar otras actividades con la confianza de que nuestro cultivo se mantendrá en buen estado gracias a la automatización que estará a cargo de ello.

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DESARROLLO DE LA PROPUESTA

El invernadero que vamos a realizar consta de un sistema automatizado que permite:

Regar el cultivo cuando se detecte, mediante un sensor de humedad, que necesitan hidratarse, esto hará que se active la bomba colocada en la torre para empezar a bombear agua a las tuberías y repartirla en las jardineras

Ventilar cuando, por un sensor de temperatura, se detecte que el ambiente es demasiado caluroso para el cultivo, activando un servomotor que abrirá una ventanilla superior con el fin de disminuir esta temperatura.

Obtener su energía de los rayos solares desde un panel acoplado a un servomotor que mediante una señal recibida por el sensor de ondas de luz infrarroja, hará que se mueva el panel de acuerdo a la posición de donde provengan dichas ondas. Físicamente, el invernadero consta de: -Torre de agua y de panel solar -Bomba de agua -Tres jardineras -Instalación hidráulica -Ventanilla en el techo -Sensor de humedad -Sensor de temperatura -Sensor de ondas infrarrojas

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COMPONENTES DE UN INVERNADERO REAL

Para la estructura que sostiene a los invernaderos, se hace uso del hierro, aluminio u otros metales, ya que son muy resistentes y mantendrán la construcción firme, también para esto, en algunas ocasiones se hace uso de madera para ahorrar dinero. El hormigón como estructura de un invernadero, tiene mucha resistencia, en un principio fue usado para lugares donde nevaba, o había mucho viento. Su desventaja está en su alto costo. En cuanto a la cubierta, se usa un material que sea transparente, puede ser desde hule, acrílico o vidrio.

En lugares donde el clima es cálido, con pocas lluvias y mucho viento, se utiliza una malla de alambre para sujetar la cobertura de plástico

Figura 1.20 – Cubierta de acrílico para el invernadero

Figura 1.22 – Ejemplo de un invernadero

Figura 1.21 – Cubierta plástica

Figura 1.23 – Estructuras metálicas

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COMPONENTES DEL INVERNADERO INTELIGENTE

En La construcción de nuestro invernadero fue importante el uso de materiales resistentes, debito al sistema automatizado que le fue introducido. Para la estructura, usamos ángulos de aluminio para brindar mayor estabilidad, para la cobertura general, se usó acrílico, al igual que para la construcción de la torre y de las jardineras. Para los rieles, se ocupó aluminio. Para el sistema hidráulico usamos tubos de pecera hechos de goma. Los componentes electrónicos principales son: -Servomotores -Panel solar Figura 1.24 – Acrílico

-Bomba de agua -PIC 16F84A -Circuitos integrados

Figura 1.25 – Tubería para el sistema hidráulico

Figura 1.26 – Panel solar

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METODOLOGIA

CONSTRUCCION DEL INVERNADERO INTELIGENTE

Estructura General Jardineras Domo Sistema hidráulico Torre de suministro CONSTRUCCION ELECTRONICA DEL INVERNADERO INTELIGENTE SISTEMA DE RIEGO AUTOMATICO SENSOR DE TEMPERATURA CAPATACION DE ENERGIA POR PANEL SOLAR

FUNCIONAMENTO DE LAS PARTES QUE CONFORMAN EL INVERNADERO INTELIGENTE ESTRUCUTURA GENERAL JARDINERAS SISTEMA HIDRAULICO TORRE DE SUMINISTRO DE RECURSOS

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13.1 ESTRUCTURA GENERAL

Para la elaboración del invernadero, primero armamos la parte principal, que es la cubierta que proporcionara el espacio para las plantas. Para lograrlo, tomamos las medidas que deseábamos para tener un invernadero a escala que está basado en la combinación del tipo parral y doble capilla

Figura 1.27 - Diseño de la estructura exterior del invernadero

Figura 1.28- Bosquejo del invernadero desde la estructura interna.

Primero, medimos y cortamos acrílico a modo de tener los lados para crear un espacio rectangular. Se cortó el acrílico con una navaja especial para ello, también en algunas piezas usamos una segueta. Cortamos ángulos a medida de las piezas de acrílico para así poder unirlas y tener mayor soporte en la estructura. Unimos los pedazos de acrílico con los ángulos usando silicón frio para ventanas, logrando así la estructura rectangular de la figura.

Figura 1.29 - Aplicación de silicón a las piezas de acrílico

Figura 1.30 -Estructura del invernadero terminada

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13.2 JARDINERAS

El invernadero cuenta con tres de ellas, una grande, y dos pequeñas, el material que se ocupó para construirlas, fue acrílico. Para cortar las piezas, nos basamos en el esquema de la derecha: Figura 1.31 - Diseño de las jardineras

Primero, se tomaron las medidas adecuadas para el corte del acrílico. Se marcaron las piezas. Y el acrílico se cortó con la navaja, ya mencionada anteriormente, siguiendo las marcas medidas. Luego se unieron las piezas con silicón líquido para vidrio, de acuerdo a la estructura del esquema. Dando como resultado: Figura 1.32 -Acrílico después de ser pegado, ya formando la estructura deseada

Finalmente, a estas jardineras les colocamos cinta blanca en los bordes para darles un mejor aspecto.

Figura 1.33- Jardineras terminadas

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13.3 DOMO El domo del invernadero inteligente posee una arquitectura modificada en base al domo del invernadero tipo Asimétrico:

Figura 1.34- Arquitectura del domo

El cual es una estructura que posee dos lados en su domo, pero la modificación que se realizo fue de poner una tercera cara al domo para instalar una ventana la cual nos diera la oportunidad de mantener una ventilación como precaución en caso de que la temperatura de que se registre dentro del invernadero sea demasiado alta para el cultivo, además en la ventana tiene una pequeña protección de hule para evitar que la parte de la ventana que se eleve golpee la demás estructura del domo. LUGAR DONDE SE SITUA LA VENTANA

TERCER CARA AÑADIDA AL MODELO

Figura 1.35- Partes del domo

Se propuso esta estructura porque se observó que con esta opción se podía tener más espacio en el interior del edificio y para una buena instalación eléctrica la cual necesita ser supervisada para su mantenimiento al igual que tubería de agua para el riego del cultivo que es vital para el mismo. Estos son los pasos que se realizaron en su construcción: Primero se seleccionó el tipo de domo que era más conveniente Se diseña el domo de acuerdo al tamaño de la demás construcción Se selecciona el material que se utilizara para la construcción Se comienza a cortar las piezas de acuerdo al diseño establecido Una vez teniendo las piezas se comienzan a unir para crear el domo deseado Se coloca el aditamento que evita impactos al cerrar la ventana Por ultimo de instala la ventana que tendrá función para la ventilación Este es el resultado final del domo mostrado en las siguientes fotografías:

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Esta es la vista frontal del domo, se puede apreciar la modificación del domo de invernadero tipo asimétrico al añadirle una tercera cara para la ventilación. Esta es la vista lateral del domo se puede apreciar las cintas blancas que personalizan nuestro trabajo

Aquí se aprecia la ventana de ventilación cuyo mecanismo de acción es un servomotor el cual será controlado por un Microcontrolador

En esta fotografía se aprecia mejor la ventana y el servomotor, se puede ver claramente, el aditamento que evita el golpe al cerrar la ventana.

Figuras 1.36, 37, 38, 39 Vistas superiores del domo y sus características

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13.4SISTEMA HIDRAULICO

Con este sistema hacemos llegar el agua a las plantas mediante tubos conectados a una bomba. Para realizarlo, nos basamos en las medidas de los rieles que también sirvieron de guía para colocar los tubos. Primero, marcamos en el riel los espacios que pertenecieran a las salidas del agua, donde colocaríamos unos distribuidores en T, y codos para las esquinas. Ya teniendo esto, cortamos el tubo para colocarlo por secciones según la posición de las T's y los codos, también hicimos en el invernadero una salida a modo de que pudiera pasar el tubo principal para distribuir el agua. Al tener toda la estructura de la tubería junta, la pegamos en los rieles, y sellamos las uniones del tubo para asegurar que no haya fugas de agua. El trabajo terminado queda así:

Figura 1.40 - Vista del sistema hidráulico

Figura 1.41-Instalacion hidráulica

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13.5TORRE DE SUMINISTRO. La construcción de la torre de suministro se realizó de acuerdo a las medidas de la estructura del invernadero adecuándola de tal forma que pueda realizar sus funciones correctamente y dejar que los demás sistemas actúen correctamente. El material predominante en su construcción fue el acrílico opaco de color blanco. Para montar los sensores se usaron piezas adecuadas para estos brindando protección y movilidad.

ESTRUCTURA GENERAL OBSERVESE LA CONSTRUCCION TOTAL DE ACRILICO

CONTENEDOR DE AGUA

SALIDA DE AGUA HACIA LA INSTALACION HIDRAULICA DEL INVENRADERO

VISTA LATERAL

VISTA FRONTAL

Figura 1.42-Torre de suministro

SALIDA DE AGUA DE LA BOMBA

ENTRADA DE AGUA HACIA LA BOMBA Figura 1.43 - Detalle de la bomba para agua

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Panel solar

Servomotor que posiciona el panel solar

Sensores de ondas de luz infrarroja

VISTA GENERAL DE LA TORRE DE SUMINISTRO DE RECURSOS

Aquí se muestran todos los elementos que conforman a la torre:

PANEL SOLAR SERVOMOTOR DE POSICIONAMIENTO SENSORES DE LUZ INFRAROJA BOMBA PARA AGUA RECIPIENTE CONTENEDOR DE AGUA

Figura 1.44- Panel solar y posicionamiento de los sensores

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CONSTRUCCION ELECTRONICA

14.1 EL RIEGO AUTOMATICO

Sensor de humedad

PIC

Optoacoplador

Bomba de agua

•Detecta cuando la tierra del cultivo necesita agua, si es asi, mandara un 0 al PIC, y para indicar que ya esta humeda, se mandara un 1.

•Al recibir un 0 del sensor de humedad se activara la salida de 1 en el Puerto B, lo cual encendera el optoacoplador, y cuando el sensor le mande 1 al PIC, el optoacoplador estara apagado.

•Al encenderse, permite manipular la corriente alterna, a partir de corriente directa, que requerimos para hacer funcionar la bomba de agua.

•Esta bomba trabaja con corriente alterna, la cual se la brinda el optoacoplador. Al ser activada la bomba, el agua fluye por la tuberia hasta llegar a las Ts que suministran el agua a las jardineras.

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El riego automático se realiza por medio del siguiente diagrama de flujo y código de programación:

PROGRAMA List p=16f84A #include "p16f84a.inc" __CONFIG _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _CP_OFF & _XT_OSC Cblock 025h Gabs Endc ; inicializa puerto B como entrada y salida Movlw B'00000000' ;limpia puerto B Movwf PORTB Bcf STATUS, RP1 Bsf STATUS, RP0 ;BANCO1 MOVLW B'00000010' MOVWF TRISB ; PORTB COMO ENTRADA Y SALIDA bcf STATUS,RP0 ;BANCO 0 INICIO

BTFSC PORTB,1 GOTO INICIO MOVLW 00H MOVWF PORTB MOVLW 04H MOVWF PORTB goto INICIO END

Figura 1.45 – Diagrama de flujo y código de programación.

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14.2 CAPTACION DE ENERGIA POR PANEL SOLAR La captación de energía por panel solar cuenta con mecanismos encargados del posicionamiento del panel solar para el mejor aprovechamiento y eficiencia en la recolección de la energía. Para esto se divide en tres secciones. 1. Recopilación de información por medio de sensores. 2. Procesamiento de la información. Aquí se recibirá la información, se procesara y las salidas que se produzcan estarán condicionadas por la entrada. La salida será transmitida con el fin de realizar el movimiento correspondiente al actuador. 3. El actuador se encargara del posicionamiento del panel

DIAGRAMA A BLOQUES DEL CIRCUITO DE POSICIONAMIENTO DE PANEL SOLAR

Sensor Infrarrojo

Procesamiento de la señal

Actuador

• El sensor capta rayos de luz infraroja. Dependiendo que sensor sea el que reciva los rayos infrarojos sera el posicionamiento del panel solar. • Mediante un Micro controlador (PIC) procesaremos la informacion recivida por los sensores provocando una salida condicionada. • Transmite la informacion porcesada por el PIC para posicionar el panel solar segun las respuestas sensoriales.

Figura 1.46-Diagrama a bloques del funcionamiento electrónico para posicionamiento de panel solar

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La construcción electrónica de posicionamiento de panel solar se realizó con dos placas de circuito impreso:

1. Una placa destinada a la recolección de información por medio de los sensores de ondas infrarrojas.

Figura 1.47 Placa de sensor de rayos infrarrojos normal

Figura 1.48 Placa de sensor de rayos infrarrojos en vista real

en vista

2. La segunda placa está destinada para el procesamiento de la información a partir de las respuestas emitidas por los sensores.

Figura 1.49Placa de procesamiento mediante PIC vista normal

Figura 1.50Placa procesamiento mediante PIC en vista real

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La programación que tiene el microcontrolador de la placa de proceso se basa en el siguiente diagrama de flujo.

INICIO

Entrada de información atraves de los sensores

VERIFICA ESTADO DE LOS SENSORES

Sensor1

NO

Sensor3

Sensor2

S1 = 0

S2 = 0

SI

SI

Manda subrutina para 45° izquierda

NO

S3 = 0

NO

SI

Manda subrutina para 90° neutral

Manda subrutina para 45° derecha

FIN

Figura 1.51Diagrama de flujo sensores de rayos infrarrojos

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14.3 SENSOR DE TEMPERATURA Funcionamiento: Este circuito se conforma con el transductor LM35 de tres terminales de las cuales una de ellas nos brinda una salida analógica la cual amplificaremos con el CI. LM324 el cual encapsula cuatro amplificadores operacionales de los cuales utilizaremos uno. Después de la etapa de amplificación la señal analógica será llevaba a un convertidor analógico digital para convertir dicha señal en un valor binario gracias al ADC0804, y posteriormente el valor será comparado gracias a la programación del PIC16F84A, para que nos dé una respuesta moviendo el servomotor para ventilar el invernadero. Aquí se muestra el diagrama a bloques del circuito que se utiliza para el sensor.

LM35

•Es un transductor que, dependiendo de la temperatura da una salida de voltaje variada

•Aqui entra en una etapa de amplificacion porque la señal del LM35 es baja LM324

Convertidor A\D

PIC16F84A

•La señal analogica del transductor entra aqui y es convertida en un valor en codigo binario el cual entrara en funcion en el programa del PIC

•El programa que se diseña con ayuda de MPLAB se realizara una comparacion de un valor constante con el valor que llega del convertidor y dependiendo si es mayor o menor, dara una señal de salida al ultimo elemento.

Figura 1.52 Diagrama a bloques del sensor de temperatura

A continuación se muestran las vistas: normal y real del circuito impreso en su diseño de

Figura 1.53 Vistas de las placas en vista normal y real del sensor de temperatura.

PCB Wizard.

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Ahora se muestra el diagrama de flujo el cual es la base para realizar el programa.

I Constante de 10.125° = A2H Entrada dato del sensor

Comparación

Es mayor que la constante

Mover el servo a 0°

Mover el servo a 45°

F Figura 1.54 Diagrama de flujo sensor de temperatura.

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15FUNCIONAMIENTO DE LAS PARTES DEL INVERNADERO INTELIGENTE 15.1

ESTRUCTURA PRINCIPAL

Ésta parte es esencial, ya que es lo que hace que la estructura, sea invernadero. Nos va a brindar el espacio donde colocaremos las plantas para que tengan un mejor entorno, así como el soporte para los componentes que se integran dentro; los rieles, las jardineras, el sistema hidráulico, cables de circuitería. Y también algunos que están por fuera; el domo y la torre. Figura 1.55-Estructura exterior del invernadero

15.2 JARDINERAS Su función es muy sencilla, pero no por eso menos importante, son las encargadas de contener las plantas sembradas en la tierra, estas permiten que al suministrar el agua, ésta no se riegue por todo el invernadero. Figura 1.56 -Jardinera

15.3 SISTEMA HIDRAULICO Es el que brinda el suministro de agua en las jardineras, ayudándose de una bomba que empuja el agua desde el depósito de la torre hacia la tubería donde se dispersa en todas partes hasta salir por los distribuidores en T. Para lograrlo, un Microcontrolador recibe una señal desde el sensor de humedad cuando éste detecta que la tierra esta seca o poco húmeda, y cuando pasa esto, el PIC manda un 1 de salida para activar la bomba y así ésta manda el agua por la tubería para cumplir con su cometido.

Figura 1.57-Salida del agua en el sistema hidráulico

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15.4 TORRE DE SUMINISTRO DE RECURSOS El invernadero consta de una torre de suministro de recursos la cual proveerá a este de agua para el riego del cultivo y un panel solar que aprovecha la energía de radiación solar para después generar electricidad que estará recargando a una batería que suministra energía a todo el sistema electrónico que controla al invernadero. Se optó por colocar una estructura tipo torre ya que ocupa menos espacio que si albergáramos dichos recursos de manera independiente, además es sumamente factible la colocación del panel solar en un lugar alto para que este trabaje de manera eficaz.

PANEL SOLAR: Su función es captar las ondas de radiación solar para generar electricidad que se utilizara para cargar una batería. SERVOMOTOR: Sirve para orientar el panel solar para que aproveche adecuadamente la radiación solar. SESNORES INFRAROJOS: Sirven para detectar la posición solar de acuerdo a la radiación emitida por este y posteriormente mandar la respuesta a un Microcontrolador. BOMBA PARA AGUA Y CONTENEDOR.: El contenedor aloja el agua para riego. BOMBA

Arroja agua a presión del contenedor hacia la tubería para regar el cultivo del invernadero.

BATERIA:

BATERIA

Una vez cargada la batería por el panel solar esta se encargara de alimentar toda la circuitería de los sistemas electrónicos del invernadero

Figura 1.58- Características de la torre de suministro de recursos

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VALIDACION

Hoy en día uno de los problemas que aqueja a las personas a nivel mundial es el tema del calentamiento global, es común que a diario escuchamos en los medios de comunicación eventos que son originados por este, teniendo como consecuencias acciones que repercuten de forma negativa en nuestra calidad de vida y la del planeta . El calentamiento global se origina por el mal uso de nuestros recursos energéticos, la industrialización excesiva de los medios de producción, tala desmedida de nuestros bosques y selvas, etc. Para hacer frente a este gran problema se han comenzado a innovar nuevas tecnologías que sean amigables con el ambiente contribuyendo a la lucha por desacelerar el calentamiento global. Es por ello que el proyecto INVERNADERO INTELIGENTE cuenta con tecnologías ecológicas que hacen de este un sistema no contaminante y auto suficiente. Es decir, hemos implementado un sistema de captación de energía solar con el fin de proporcionar la energía eléctrica suficiente para que el sistema electrónico del invernadero opere de manera correcta y sea autónomo a cualquier fuente de alimentación externa. Existen en el mercado proyectos similares, la diferencia radica en que no cuentan con tecnologías que ayuden al ahorro de energía, ya que solo se basan en el principio de poner atención al cultivo sin importar que sea a costa del gasto de recursos como la electricidad, el INVERNADERO INTELIGENTE, cuida el cultivo y también el consumo de energía.

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TABLA 1.3 PRIMER PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO

SECCION ELECTRONICA

SENSOR DE RAYOS INFRARROJOS El funcionamiento del sensor de rayos infrarrojos se comprobó haciendo pasar un diodo LED emisor por cada uno de los receptores, la respuesta en cada uno de los emisores era distinta, es decir, respondían a distancias desiguales. El problema se corrigió calibrando los potenciómetros correspondientes para cada receptor. SENSOR DE HUMEDAD Para lograr el funcionamiento de éste sensor, se tenían que unir dos puntas de prueba, y estas tenían que dar una respuesta de 1 o 0 dependiendo de si estaban juntas o separadas, ésta respuesta se comprobaba con el uso de un buzzer, pero esto no funcionaba como debía, pues había mucho ruido al momento de querer cambiar el dato de 1 a 0, ésto se solucionó usando resistencias con valores más altos.

SENSOR DE TEMPERATURA El sensor de temperatura en su primer prueba de funcionamiento no realizo sus funciones adecuadamente ya que había errores de comparación dentro de la programación, los errores han sido depurados. CIRCUITO OPTOACOPLADOR El circuito opto acoplador en su primer prueba de funcionamiento hizo corto circuito ya que la posición del TRIAC esta invertida, el error ha sido depurado colocando adecuadamente el TRIAC.

SECCION FISICA

ESTRUCTUTRA GENERAL La construcción de la estructura general es óptima y no necesito ningún arreglo adicional o modificación. JARDINERAS Su construcción no tiene desperfecto alguno que impida realizar sus funciones adecuadamente. TORRE DE SUMINISTRO El contenedor de agua presento fugas, las cuales fueron tapadas. Después de esto el funcionamiento fue optimo DOMO Las funciones que correspondan al domo no tiene ninguna anomalía, todo funciona correctamente.

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TABLA 1.4 SEGUNDA PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO

SECCION ELECTRONICA

SECCION FISICA

SENSOR DE RAYOS INFRARROJOS El sensor opero correctamente sin errores. SENSOR DE HUMEDAD Funciono de manera correcta sin embargo tuvimos que modificar la distancia a que se colocaron los electrodos ya que había un retraso en la respuesta que daba el sensor. El problema fue corregido SENSOR DE TEMPERATURA El sensor de temperatura es el que ha dado más problemas en cuanto a programación se refiera ya que seguía habiendo los mismos errores de programación que en la primera prueba. Afortunadamente se corrigió la programación y el sensor comenzó a trabajar de manera óptima. CIRCUITO OPTOACOPLADOR Nos dimos cuenta que el circuito funcionaba correctamente desde la primera de funcionamiento. El error que encontramos fue la conexión de la corriente alterna ya que la colocamos de forma paralela, siendo que esta se conectaba de forma serial.

ESTRUCTUTRA GENERAL La construcción de la estructura general es óptima. JARDINERAS Su construcción no tiene desperfecto alguno que impida realizar sus funciones adecuadamente. TORRE DE SUMINISTRO El contenedor de agua presento fugas, las cuales fueron tapadas. Después de esto el funcionamiento fue óptimo. DOMO Funciona correctamente.

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CONCLUSIONES

Al implementar el proyecto basados en la automatización, se aprendió más acerca de la utilidad de ésta en la vida diaria, desde hacer que un sistema sencillo reaccione ante ciertos estímulos, hasta el logro de contar con varios sistemas que controlen la manufactura de productos en una gran empresa. Con nuestra propuesta de INVERNADERO INTELIGENTE, se cultivó más el conocimiento y las consecuencias del calentamiento global, así como lo que podemos hacer para ayudar a no seguir propagando el mismo, centrándonos en el cuidado de un cultivo, ya que el clima es factor principal de su buen o mal desarrollo, y con un invernadero se puede dar su crecimiento favorablemente a pesar de los cambios climáticos que ocurran afuera. Así que éste proyecto es una manera de ser amigables con la naturaleza al proporcionarle un buen entorno valiéndonos de la automatización para lograrlo. Cuando efectuamos la automatización, creamos una forma más sencilla de llevar el cuidado de un cultivo, y también la seguridad de que los sistemas actúan bajo las condiciones y momentos indicados que son requeridos en la atención del plantío. Así que es una ventaja el saber que no tendremos la preocupación de que las plantas necesiten agua o ventilación, pues la automatización lo hará por nosotros. También nos dimos cuenta de la importancia que tiene el aprovechamiento de los distintos tipos de energía, pues hoy en día, una de las más importantes y usadas por el hombre es la electricidad, pero si se emplea en exceso, puede resultar costosa. Al construir el INVERNADERO INTELIGENTE, se pensó en eso, entonces se creó un sistema que toma su energía de una batería, que a su vez, es recargada por energía solar, aprovechando éste recurso natural y evitando el gasto de la electricidad. Tenemos la certeza de que nuestra propuesta es bastante útil y aplicable en las labores de agricultura, puesto que asegura la tenencia de una producción sana y fértil que podrá ser aprovechada como alimento, como plantas para jardín, o simplemente especies que se quieran cuidar en él. Además, sabemos que aplicamos la automatización de manera consciente para así lograr un beneficio a la producción de cultivos y al aprovechamiento de la energía solar.

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PERSPECTIVAS (TRABAJOS FUTUROS)

El proyecto INVERNADERO INTELIGENTE tiene una amplia visión hacia trabajaos futuros ya que podríamos incluir nuevas herramientas que lo hagan funcionar de una manera aún más interesante. Las propuestas son: Podríamos incluir más jardineras, esto con el fin de elevar la producción del cultivo que se aloje en él. Y como consecuencia esto provocaría que la instalación hidráulica fuese más grande para abarcar la demanda de agua necesaria. Detector de plagas, esto sería sumamente útil para obtener mejoras aún más grandes en la calidad de los productos del cultivo. Un control más uniforme de la temperatura que hay dentro del invernadero, es decir colocar más sensores de temperatura en partes estratégicas dentro de la estructura y promediar los valores que arroja cada sensor, después mandar el resultado al dispositivo encargado de leer la información y accionar un extractor y un ventilador .

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APENDICES

APENDICE A

Circuito de sensor de humedad con Trigger Schmitt, mandando un bit (0,1) de entrada al PIC16F876.

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APENDICE B

Circuito de sensor de rayos UV acoplado con el PIC mediante el puerto A, mandando 3 distintos bits para lograr el movimiento se un servo.

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APENDICE C

Circuito del sensor de temperatura mandando su dato digital al puerto A del PIC16f84A

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GLOSARIO A) Automatización -Es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Autónomo- Que es independiente, que puede decidir.

B) Botánica - Es una rama de la biología y es la ciencia que se ocupa del estudio de las plantas.

C) Conductividad - Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. Cultivar- Cuidar la tierra y las plantas para que fructifiquen. Calibración - Es regular un dispositivo a lo que el usuario de sea implementar para sus usos específicos.

F) Fiabilidad - probabilidad de buen funcionamiento de algo Ferti riego - Aplicación de fertilizantes sólidos o líquidos por los sistemas de riego presurizados, creando un agua enriquecida con nutrientes.

H) Hidratación - Proceso por el cual, un cuerpo orgánico se "hidrata" con agua. Hostil - Se aplica al medio natural difícil o adverso para la supervivencia.

I) Interfaz - Es la conexión entre dos ordenadores o máquinas de cualquier tipo dando una comunicación entre ambas.

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Inercia térmica - Es la capacidad que tiene la masa de conservar la energía térmica recibida e ir liberándola progresivamente, disminuyendo de esta forma la necesidad de aportación de climatización.

L) Longitud de onda - La longitud de una onda es la distancia que recorre la onda en el intervalo de tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos de una de sus propiedades.

M) Mano factura - Describe la transformación de materias primas en productos terminados para su venta Microclima - Es un clima local de características distintas a las de la zona en que se encuentra. El microclima es un conjunto de afecciones atmosféricas que caracterizan un contorno o ámbito reducido Micro controlador - Es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y unidades de E/S (entrada/salida) . Mecánica - Es la rama de la física que describe el movimiento de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas.

P) Paneles solares - Es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar Proceso fotosintético -Es el proceso por el cual los vegetales con clorofila convierten la energía luminosa en energía química. Periférico - Se denominan periféricos a los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de procesamiento de una computadora Perspectiva - Es el arte de dibujar para recrear la profundidad y la posición relativa de los objetos Paradigma - Es un modelo o patrón en cualquier disciplina científica u otro contexto epistemológico PWM - Modulación por ancho de pulsos

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Potenciómetro - Es un resistor cuyo valor de resistencia puede ser ajustado.

R) Racionalizar- Es un mecanismo de defensa que consiste en justificar las acciones (generalmente las del propio sujeto) de tal manera que eviten la censura.

S) Sistema - Conjunto de elementos dinámicamente relacionados formando una actividad para alcanzar un objetivo operando sobre datos, energía y/o materia para proveer información. Subsistema - Es un sistema que se ejecuta sobre un sistema operativo.76yyg Sistemas digitales - Aquellos en los que sus salidas sólo dependen del estado de sus entradas en un momento dado. Sensor - Es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Servomotor - Dispositivo utilizado en robots y modelos radio controlados, compuestos por un motor y un sistema de control de posición.

T) Translucido - Dicho de un cuerpo, que permite el paso de la luz, pero difuminándola por difusión o refracción, de tal modo que no ofrece una Imagen nítida. Temporada - Tiempo durante el cual sucede alguna cosa o se realiza habitualmente . Transductor - Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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PALACIOS MUNICIO, ENRIQUE REMIRO DOMINGUEZ, FERNANDO LOPEZ PEREZ, LUCAS JOSE . Microcontrolador PIC16F84 Desarrollo de proyectos. Ra Ma. México D.F 2004.

ROBERT L. BOYLESTAD y LOUIS NASHLESKY. ELECTRONICA: TEORIA DE CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELECTRONICOS. PEARSON EDUCATION. México 2009

DISTEFANO, STUBBERUD y WILLIAMS. RETROALIMETACION Y SISTEMAS DE CONTROL. Schaum. 2da ed. México 1993. Horacio D. Vallejo. PROTEUS: Diseño de circuitos Electrónicos, construcción de circuitos impresos y Simulación electrónica. SABER ELECTRONICA. Octubre 2009. No 20. Pág. 517.

GREENPEACE México [En línea]. http://www.greenpeace.org/mexico/campaigns/energa-y-cambio-climatico/cambio-climatico [Consulta 5 de mayo de 2010]

WIKIPEDIA [En línea]. http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor [Consulta 29 abril 2010]

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