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Resumen
El aumento de población en el mundo afecta
diferentes áreas como la seguridad, la vivienda,
ocupación de territorio, manejo de basuras y
seguridad alimentaria entre varios por lo que se hace
necesario modificar las dinámicas de
comportamiento en las ciudades, el problema se
puede observar desde dos puntos de vista, el primero
corresponde a la unión de la seguridad alimentaria y
los espacios urbanos reducidos y el segundo desde la
implementación e integración tecnológica. El
objetivo de esta investigación fue la construcción de
un prototipo funcional capaz de monitorear y
controlar el sistema de riego de un cultivo por NFT
(Nutrient Film Technic) enfocándose en el contexto
de casas de interés social, obteniendo como resultado
el monitoreo de las variables de temperatura y
humedad relativa almacenadas en una plataforma
web abierta y el control de flujo del nutriente.
Palabras Clave.
NFT (Nutrient Film Technic), automatización,
monitoreo de riego, cultivo de hortalizas, agricultura
urbana, agrónica, IoT, seguridad alimentaria, cultivo
hidropónico.
Abstract
The increase in population in the different areas such
as security, housing, occupation of land, waste
1
Universidad Minuto de Dios; Correo: eaguirre@uniminuto.edu; Colombia.
management and food security among several is
necessary to change the behavior dynamics in cities,
the problem can be observed from two points of
view, the first corresponds to the union of food
security and reduced urban spaces and the second
from the implementation and technological
integration. The objective of this research was the
construction of a functional prototype capable of
monitoring and controlling the irrigation system of a
crop by NFT (Nutrient Film Technic) focusing on the
context of social interest houses, obtaining as a result
the monitoring of the variables of temperature and
relative humidity stored in an open web platform and
the flow control of the nutrient.
Keywords.
NFT (Nutrient Film Technic), automation, irrigation
monitoring, vegetable cultivation, urban agriculture,
agronomy, IoT, food security, hydroponics.
Introducción
Uno de los retos más importantes en este siglo
corresponde a la ubicación de la población en las
ciudades [1], que aumenta en relación con la
población en el campo. Estos crecimientos generan
nuevos problemas debido a la alta densificación,
según el Departamento Administrativo Nacional de
Estadísitica-DANE- 2016, actualmente en Bogotá
habitan más de siete millones de personas y para el
año 2020 serán más de ocho millones de personas[2],
Sistema de monitoreo y control de un modelo hidropónico del tipo Nutrient Film Technic NFT,
para la producción de hotalizas en ambientes controlados
System of monitoring and control of a hydroponic model of the type Nutrient Film Technic
NFT, for the production of vegetables in controlled environments
Edgar Alirio Aguirre Buenaventura
1
, Oscar Andrés González Sanchez, Daniel Andrés Vega Castro, Jhon Jairo Monje
Carvajal.
doi:http://dx.doi.org/10.23850/24220582.1393 Recibo: 22.10.2018 Aceptado: 01.04.2019
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lo que repercute en diferentes áreas como la
seguridad, la vivienda, ocupación de territorio,
manejo de basuras, seguridad alimentaria entre otros.
De esta manera, se evidencia la necesidad de trabajar
sobre la seguridad alimentaria [3], en donde los
cultivos urbanos pueden permitir la producción
diversificada de hortalizas en espacios urbanos.
En la actualidad, los cultivos hidropónicos están
creciendo en popularidad [9] [10], y se implementan
en diferentes ambientes, el problema se puede
observar desde dos puntos de vista, el primero
corresponde a la unión de la seguridad alimentaria y
los espacios urbanos reducidos y el segundo desde la
implementación e integración de tecnologóas, la
relación de estos dos puntos implica el uso de
herramientas para reducir el impacto negativo de la
inseguridad alimentaria al interior de las ciudades.
El aumento de los rendimientos agrícolas se debe en
gran medida a la aplicación de tecnologías en los
procesos de producción [11], transformación y
distribución; primero en los países industrializados y
más tarde en la mayoría de los países en desarrollo
actualmente con el interés del aprovechamiento de
los espacios urbanos [12] [13] desde el punto de vista
económico, sumado a la economía de las familias
donde en la cadena logística se disminuyen los costos
de eliminar intermediarios en el transporte lo cual
hace que bajen los precios afectando la canasta
familiar de los ciudadanos [14].
La automatización hacia el agro presenta el reto de la
adaptación e integración [15] de los requerimientos
de espacio, ambiente y necesidades sociales frente a
los objetivos de esta, para la mejora del rendimiento
productivo [16], con un costo bajo para que puedan
ser implementados por comunidades, el objetivo de
esta investigación consistió en implementar un
prototipo de sistema de monitoreo y control
electrónico para un cultivo hidropónico NFT de
hortalizas.
Enfocado en los cultivos urbanos donde se pueden
generar alimentos de calidad en pequeños espacios,
mejorando así los procesos en la producción,
mediante el monitoreo de variables para la toma de
decisiones. Desde la revisión literaria se
identificaron diferentes aportes [4] [5] que permiten
la producción de hortalizas [6] [7] en el entorno
urbano por medio del control de variables asociadas
con la temperatura, la luminosidad y humedad del
cultivo.
En el prototipo se implemento el proceso de control
de flujo del fertilizante hacia las plántulas que se
sembraron en una configuración de pared vertical,
como resultados del monitoreo se obtuvo un
conjunto de datos, así como el respectivo prototipo
de producción. Todo lo anterior permitió evidenciar
la mejora del proceso. [8].
Modelo de Implementación: El modelo se basa en
un sistema de control en lazo cerrado donde a partir
del monitoreo de las variables se determina la
necesidad de activar el sistema de flujo de nutriente,
esto debido a que las raíces debe estar siempre
sumergidas, pero debido a la inclinación de la tubería
los nutrientes caen y se debe hacer recircular el
nutriente por todo el sistema.
El control de nivel del nutriente en la tubería se
realizo manteniendo las mangueras de salida por
encima del nivel deseado, el esquema general del
sistema se observa en la figura 1.
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Figura 1. Esquema general del modelo. Fuente los autores.
El modelo depende directamente del tipo de planta
por sus condiciones de crecimiento frente al tiempo
y el efecto de las varibales ambientales y
nutricionales or lo que en el bloque de proceso se
evaluo diferentes hortalizas para garantizar tiempos
de produccion bajos para la etapa experimental.
Las variables obtenidas hacen relacion a temperatura
y humedad relativa del aire, radiacion y nivel del
tanque del nutriente.
Materiales y Métodos
El desarrollo de la investigación para la construcción
del prototipo determino seis fases entre las que se
encuentran las variables de medición, el modelo
sistema de monitoreo, el sistema de alimentación, el
sistema de desarrollo, el cultivo de plántulas, los
actuadores y el sistema de comunicación los cuales
se describen a continuación.
Determinación de las variables: Fueron
seleccionadas acorde a las necesidades del cultivo:
temperatura, luminosidad, radiación y fertilización.
Modelo sistema de monitoreo: El modelo del
prototipo desde el punto de vista electrónico se
desarrolló como un sistema de control en lazo
cerrado con un sistema de adquisición de datos y
control, para la implementación se selección la
tarjeta de desarrollo Arduino con el monitoreo de
sensores y transmisión a plataforma web.
Sistema de desarrollo: La tarjeta de desarrollo toma
las variables mediante la programación establecida,
procesa los datos y los envían a través de comandos
AT al módulo Wi-Fi, además de activar la
motobomba cuando se hayan cumplido las
condiciones para ser activada e irrigar los nutrientes.
Cultivo de plántulas: Se trabajo con lechuga
Lactuca sativa. Lo anterior debido al desarrollo
vegetativo precoz de esta hortaliza, el cual oscila
entre los 75 días ± 15 días, haciéndolo ideal para el
monitoreo de variables y la toma de decisiones.
Actuadores: El actuador fue una motobomba, la cual
suministra el agua y los nutrientes en disolución. La
activación de la bomba fue controlada por un relé, el
cual se activa en 1 lógico y se desactiva en 0 lógico.
Comunicación: La adquisición de datos se realizó
mediante un módulo Wi-Fi para enviar datos a través
de internet para su respectiva visualización en la
web.
Implementación: Para verificar el funcionamiento
del modelo propuesto se construyó un prototipo para
sembrar hortalizas (lechugas). La distancia de
siembra empleada fue de 0,30 cm entre plantas en
tres líneas de producción de 1,50 m cada una. El total
de plántulas sembradas fue de 15. figura 2.
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Figura 2. Prototipo de trabajo implementado. Fuente los autores.
El prototipo del sistema de monitoreo se realizó con
el (IDE) de Arduino para el procesamiento de datos
y visualización. Este sistema de desarrollo tomo las
variables desde los puertos de entrada para procesar
los datos y enviarlos a través de un módulo Wi-Fi a
una plataforma web, además de activar la
motobomba para recircular los nutrientes, en la
figura 3 se observa el esquema del circuito
electrónico.
Figura 3. Esquema circuito electrónico. Fuente los autores.
El sistemas de alimentación fue una fuente de 5
voltios a 1 amperio, el sistema de monitoreo se basó
en la toma de las variables de temperatura, humedad,
luminosidad y medición de nivel de liquido en un
tanque que contenía los nutrientes para la hortalizas,
este cuenta con un medidor de salinidad con el cual
se monitoreo si es apto para la irrigación del cultivo.
Todo esto se complementó con el envío a través de
un módulo de Wi-Fi ESP8266 el cual se conecta a
un router que permite la comunicación a internet a la
página de internet ThingSpeak, en esta se
graficaron los datos obtenidos para que desde
cualquier dispositivo con acceso a internet se
visualizara la información.
Para la medición de temperatura se usó el sensor
DHT11, el cual es un dispositivo digital que utiliza
un sensor capacitivo para la medición de la humedad
y un termistor para medir el aire circulante con
retardo de 2 segundos y con alimentación entre los
3V a lo 5.5 VDC, la descripción de la definición de
variables de medición se encuentra en la figura 4.
Figura 4 Recolección y envió de datos. Fuente los autores.
Los datos obtenidos del sensor DHT11 que mide
temperatura y humedad pueden ser leídos y
almacenados mediante la creación de elementos
buffer y la función float, la cual maneja un rango de
valores que van entre 3.4028235E + 38 y -
3.4028235E + 38.
Para este caso puntual, la función float también
maneja números con puntos decimales, lo que hace
que no sean muy precisos los datos por lo que se usa
un string que cumple la función de memoria,
buscando el dato almacenado para su aproximación,
generando su actualización en un tiempo de espera
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de 17 segundos. Posterior a esto, la información
registrada es subida y almacenada en la web.
Para medir la cantidad de luz se usó una fotocelda
con principio resistivo con la variación de luz
ambiente, su unidad de medida es en entre menos
luz la resistencia tiende a ser muy alta tanto que se
llega hasta 1M y con luz el valor de la resistencia
puede llegar a 1k.
El actuador con el cual se trabajo fue una motobomba
que hizo circular los nutrientes a las diferentes
plántulas, este se controló por un relé que se activa
con un 1 lógico y se desactiva en 0 lógico, la
motobomba de inmersión conto con ½ caballo de
potencia.
El control del actuador se realizó por medio de la
estructura descrita en la figura 5, donde dependiendo
de la lectura del sensor de nivel se temporiza ya que
este tipo de cultivo requiere una irrigación de al
menos 6 veces por día con un tiempo estimado de 1
minuto de encendido la motobomba.
Figura 5. Control del actuador. Fuente los autores.
Discusión
Los datos recogidos por la plataforma de hardware
fueron transmitidos al sitio de ThingSpeak en las
figuras 6, 7 y 8.
Figura 6. Grafica temperatura con diferentes tamaños de muestra.
Fuente datos plataforma ThingkSpeak
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Figura 7. Grafica temperatura con diferentes tamaños de muestra.
Fuente datos plataforma Thingkspeak
Figura 8. Grafica intensidad con diferentes tamaños de muestras
Fuente datos plataforma ThingkSpeak
Frente al comportamiento de datos se observa la
variabilidad de temperatura y humedad que indica la
necesidad de otra fase para realizar un control de
temperatura y control de luminosidad, el proyecto
logró realizar el control de flujo del nutriente y la
transmisión de datos
En los resultados se observa que entre el millón de
muestras y las diez mil no hay diferencia, pero hay
un gran cambio entre las muestras cinco mil y las mil
muestras y aún más cuando se recurre a un número
más pequeño de estas, lo anterior se debe a que la
página web donde se reciben los datos no muestra la
diferencia entre los días que se tomaron los datos (10
Oct-7 Nov).
Es importante mencionar que no se cuantificó la
producción, pues lo que se buscaba era evaluar el
modelo de monitoreo, y evaluar la variables
relacionadas con el tema de automatización y el uso
de nutrientes de forma controlada desde el modelo;
que al final muestra la producción bajo este modelo
automatizado, en donde el uso de tecnología
electrónica es el que genera datos para el uso
controlado de nutrientes y recirculación de líquidos,
que puede ayudar a tomar decisiones importantes al
escalar en tamaño productivo, determinaciones como
como en el tipo de manejo; porque nos permite
verificar el comportamiento de los nutrientes sin
importar su origen.
También se pudo verificar, que este tipo de
tecnología de monitoreo puede ser importante al
momento de evaluar el comportamiento de la planta
frente al uso de uno o más nutrientes de forma
específica, pues al tener diferentes repeticiones con
diferentes modelos nutritivos, se comparan en
términos de eficiencia, tanto en lo económico como
en lo productivo si se quiere.
Conclusiones
Los modelos automatizados de producción de
hortalizas son pertinentes en los contextos urbanos,
ya que permite la obtención de alimentos de calidad
al interior de las ciudades, en donde el tiempo y la
agilización de los procesos son determinantes para el
éxito de los programas de seguridad alimentaria.
El monitoreo de las variables físicas en los cultivos,
permite en gran medida sortear los posibles impases
que repercuten en la producción de hortalizas, lo
anterior mediante la toma de decisiones soportada en
los datos monitoreados y cargados en la web.
Es de resaltar que la nutrición vegetal es de suma
importancia, y para el caso de los sistemas
hidropónicos la concentración de las sales y la re-
circulación de los nutrientes repercute de forma
directa en la producción de lechuga.
Referencias
[1]
C. L. MOLLINEDO, «Movilidad urbana sostenible: un reto para las
ciudades del siglo XXI,» Economía, Sociedad y Territorio, 2006.
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7
[2]
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́
N 2005-2020, Bogota, 2007.
[3]
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alimentarias en medios de comunicación hegemónicos y alternativos,»
Estudios sociales , vol. 28, nº 51, 2018.
[4]
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2014.
[5]
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NUTRITIVAS. MANEJO Y CONTROL MICROBIOLÓGICO,» 23 5
2018. [En línea]. Available:
http://www.infoagro.com/abonos/docs/recirculacion_nutritiva3.htm.
[Último acceso: 2018].
[6]
S. A. I. SANCHEZ, «AUTOMATIZACIO
́
N Y CONTROL DEL
SISTEMA NFT PARA CULTIVOS HIDROPO
́
NICOS,» 2013.
[7]
L. Castagar, «PRODUCCIO
́
N DE LECHUGA HIDROPO
́
NICA,»
2017.
[8]
N. Núñez, «Hidroponía: cultivar sin tierra alimentará al planeta en el
futuro,» 2017.
[9]
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CONTENEDOR DE CARGA PARA EL CONTROL DE CLIMA E
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[10]
R. E. Pertierra Lazo, «Análisis comparativo de costos de inversión de
sistemas hidropónicos.,» 2018.
[11]
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Agroalimentario, 1999.
[12]
E. M. Reyes, «El desarrollo de la agricultura orgánica urbana en los
espacios acompañantes de la vivienda: una alternativa viable,»
SATHIRI: Sembrador, 2018.
[13]
A. L. Medina L’hoist y P. Gutiérrez, «LA RELEVANCIA DE LA
CONECTIVIDAD RURAL-URBANA PARA EL DESARROLLO
TERRITORIAL. EL CASO DEL CORREDOR INDUSTRIAL DE
GUANAJUATO,» 2018.
[14]
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2014. [En línea].
[15]
S. Naya, «Nuevo paradigma de big data en la era de la industria 4.0,»
Revista electrónica de terapia ocupacional Galicia,, vol. 2715, 2018.
[16]
G. González, «Automatización de una planta industrial de alimentación
mediante control distribuido,» Revista Ibérica de Sistemas e
Tecnologias de Informação, 2018.
