Desarrollo de un sistema de cultivo hidropónico vertical automatizado y remoto

1 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería electrónica industrial y automática Desarrollo de un sistema de cultivo hidropónico vertical automatizado y remoto Autor: Redondo Quintero, David Tutor(es): Serrano Gutierrez, Jorge Departamento de física de la materia condesada Moratinos Sahagún, Javier Autónomo Valladolid, julio de 2023. 2 Resumen En el presente trabajo se desarrolla y construye un prototipo funcional de un huerto hidropónico vertical automatizado capaz de trabajar en exteriores e interiores. Además del prototipo, se ha generado un panel de control que permite al usuario monitorear y controlar el huerto de forma remota, así como notificarle mediante alarmas la necesidad de hacer una intervención física. El prototipo es totalmente autosuficiente mediante el uso de placas solares y baterías. Igualmente, está construido con materiales reutilizables en la medida de lo posible y con optimización de los materiales adquiridos. Palabras clave Automatización Remoto Hidroponía Sistema hidropónico Aplicaciones fotovoltaicas Cultivo automatizado Control Abstract In this study, a functional prototype of an automated hydroponic garden capable of working outdoors is developed and built. In addition, a control dashboard has been designed and coded that allows the user to monitor and control the garden remotely, and to be notified by alarms about the need of a physical intervention. The prototype is equipped with energy autonomy through solar panels and batteries. Likewise, it is built with reusable materials to the maximum extent possible and optimization of the materials acquired. Keywords Automation Remote Hydroponics 3 Hydroponic systems Photovoltaic applications Automatized agriculture Control Agradecimientos A mis tutores Dr. Jorge Serrano y Javier Moratinos, por ofrecerme este trabajo, sus conocimientos y aportaciones durante su realización. A mi padre Fernando, por ayudarme con sus conocimientos y proporcionarme parte del material empleado en el prototipo. A mi madre Esther, a Anabel y a mis amigos por el apoyo durante todo el proceso que hicieron más fácil superar las adversidades encontradas en la realización del presente trabajo. 4 Índice de contenido 1. Introducción y objetivos ............................................................ 9 2. La hidroponía .......................................................................... 11 3. Análisis de los sistemas hidropónicos ................................... 16 4. Parámetros a controlar en un sistema hidropónico .............. 17 5. Introducción al prototipo desarrollado ................................... 21 6. Diseño electrónico .................................................................. 29 7. Diagrama eléctrico .................................................................. 75 8. Software de control ................................................................. 75 9. Análisis de consumo eléctrico ................................................ 98 10. Resultados .......................................................................... 112 11. Presupuesto ....................................................................... 123 12. Conclusiones ...................................................................... 125 13. Bibliografía ......................................................................... 128 5 Índice de ilustraciones Ilustración 1. Lechugas hidropónicas. .............................................................................................................. 11 Ilustración 2. Jardines Colgantes de Babilonia. ............................................................................................... 12 Ilustración 3. Chinampas................................................................................................................................. 12 Ilustración 4. Captura del proyecto de NGS en España. .................................................................................... 13 Ilustración 5. Captura de un sistema hidropónico vertical de GroHo. ............................................................... 13 Ilustración 6. Imagen tomada por la NASA evaluando el uso de la hidroponía en los viajes espaciales. ............. 13 Ilustración 7. Invernadero hidropónico de Novagric en Almería. ...................................................................... 14 Ilustración 8. Técnicas hidropónicas. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua ............................................. 16 Ilustración 9. Tabla comparativa entre sistemas hidropónicos ......................................................................... 16 Ilustración 10. Relación entre la capacidad de absorción de nutrientes y el pH; ............................................... 17 Ilustración 11. Reductor de pH, Advanced Hydroponics. .................................................................................. 18 Ilustración 12. Elevador de pH, Advanced Hydroponics. ................................................................................... 18 Ilustración 13. Dureza del agua en base a su EC .............................................................................................. 19 Ilustración 14. Tabla resumen de los rango de EC óptimos para cada planta. ................................................... 19 Ilustración 15. Depósito de 1000L IBC-GRG con pallet. ..................................................................................... 21 Ilustración 16. Tubos de PVC de 200 mm de diámetro ..................................................................................... 22 Ilustración 17. Diseño de los agujeros a lo largo de las torres de PVC. .............................................................. 22 Ilustración 18. Detalle de la tapa superior agujereada ..................................................................................... 23 Ilustración 19. Detalla del sistema de subida de la solución nutritiva ............................................................... 23 Ilustración 20. Sistema de tubos elevadores .................................................................................................... 24 Ilustración 21. Aspersores colocados en las salidas del tubo ............................................................................ 24 Ilustración 22. Panel de poliestireno expandido (EPS) indicado para aislamiento térmico; 4 cm de espesor. ..... 24 Ilustración 23. Tanque de agua con los paneles de poliestireno ....................................................................... 25 Ilustración 24. Botellas con electroválvula en el tapón ..................................................................................... 25 Ilustración 25. Electroválvula que regula el rellenado con agua ....................................................................... 26 Ilustración 26. Detalle de los perfiles en "L" y cintas ajustables ........................................................................ 26 Ilustración 27. Caja estanca comercial. ........................................................................................................... 27 Ilustración 28. Prensaestopas M20. ................................................................................................................ 27 Ilustración 29. Protector para la lluvia ............................................................................................................. 28 Ilustración 30. Perspectiva inferior de las cajas estancas con la parte de control .............................................. 28 Ilustración 31. Control local ............................................................................................................................ 28 Ilustración 32. Cajas estancas para la electrónica de potencia ......................................................................... 28 Ilustración 33. Esquema representativa del interior de un electrodo. ............................................................... 29 Ilustración 34. Sonda electrodo de pH BNC y módulo de detección del valor. ................................................... 30 Ilustración 35. Medidores de pH y EC portátiles. .............................................................................................. 30 Ilustración 36. Tabla de calibración de la sonda de pH ..................................................................................... 31 Ilustración 37 que relaciona pH frente al voltaje medido. ................................................................................ 31 Ilustración 38. Kit K1 EZO-Conductividad. ........................................................................................................ 32 Ilustración 39. Características medidor EC ....................................................................................................... 32 Ilustración 40. Especificaciones técnicas del TDS Meter V1.0. .......................................................................... 32 Ilustración 41. TDS Meter V1.0. ....................................................................................................................... 33 Ilustración 42. Tabla con las mediciones para la calibración del medidor EC. ................................................... 33 Ilustración 43. Gráfico que relaciona el voltaje con el EC de las muestras. ........................................................ 33 Ilustración 44.Sensor de temperatura digital DS18B20. ................................................................................... 34 Ilustración 45. Tabla de características del sensor DS18B20. ............................................................................ 35 Ilustración 46. Conexionado del sensor DS18B20 alimentado de forma externa. .............................................. 35 Ilustración 47. Especificaciones del sensor DHT11............................................................................................ 36 Ilustración 48. Sensores de humedad y temperatura DHT11 y DHT22. ............................................................. 36 Ilustración 49. Ejemplo del conexionado del sensor DHT11 para un cable menor de 20 metros ........................ 36 Ilustración 50. . Captura del sensor A02YYUW en Aliexpress. ........................................................................... 37 6 Ilustración 51. Módulo ultrasónico impermeable JSN-SR04 con módulo de control AJ-SR04M. ......................... 38 Ilustración 52. Tabla de especificaciones del JSN-SR04. .................................................................................... 38 Ilustración 53. Colocación del sensor en el depósito......................................................................................... 39 Ilustración 54. Sensor de nivel de flotador. ...................................................................................................... 39 Ilustración 55. Representación de las puntas con los materiales piezoeléctricos. .............................................. 40 Ilustración 56. Sensor de nivel capacitivo NC57de Fischer. ............................................................................... 40 Ilustración 57. Detector de presencia de líquidos XKC-Y23. .............................................................................. 41 Ilustración 58. Esquema de la implementación del detector de líquido. ............................................................ 41 Ilustración 59. Conexionado del detector XKC-Y23. .......................................................................................... 42 Ilustración 60. Caudalímetro YF-S201 instalado ............................................................................................... 42 Ilustración 61. Medidor de voltaje comercial FZ0430. ...................................................................................... 43 Ilustración 62. Esquema de un divisor de voltaje básico. .................................................................................. 43 Ilustración 63. Sensibilidad de los modelos ACS712. ........................................................................................ 45 Ilustración 64. Grafica que enfrenta el voltaje de salida frente a la corriente medida a diferentes temperaturas; ACS712 ±30 A. ................................................................................................................................................ 45 Ilustración 65. Tabla de características para el WCS712 ±20. ........................................................................... 45 Ilustración 66. Tabla de especificaciones del fabricante para el WCS1800. ....................................................... 46 Ilustración 67. Linealidad de medición de la corriente para el WCS1800. ......................................................... 46 Ilustración 68. Sensibilidad en base al voltaje de alimentación del módulo WCS1800. ...................................... 46 Ilustración 69. Especificaciones públicas acerca de la bomba obtenida. ........................................................... 48 Ilustración 70. Bomba de agua comercial de 20W a 12V en DC. ....................................................................... 48 Ilustración 71. Calentador Tubular de cartucho de inmersión 100W................................................................. 49 Ilustración 72. . Esquema típico de un puente en H. ......................................................................................... 49 Ilustración 73. Señal PWM variando su ciclo de trabajo (Duty Cycle). ............................................................... 50 Ilustración 74. BTS7960 Módulo Driver para motores. ..................................................................................... 50 Ilustración 75. Diagrama de funcionamiento del chip BTS7960. Infineon Tecnologies ....................................... 51 Ilustración 76. Interfaz de control del módulo IBT-2. ........................................................................................ 51 Ilustración 77. Válvula por solenoide comercial. .............................................................................................. 52 Ilustración 78. Servo válvulas de la marca MOOG. ........................................................................................... 52 Ilustración 79. Módulo de 8 relés con optoacoplador de la marca ELEGOO. ..................................................... 53 Ilustración 80. Esquema de pines del integrado 74HC595 ................................................................................ 53 Ilustración 81. Esquema de comunicación de dos dispositivos mediante protocolo UART. ................................ 54 Ilustración 82. Esquema electrónico de un canal del convertidor digital ........................................................... 54 Ilustración 83. Arduino NANO V3.0. ................................................................................................................ 55 Ilustración 84. Arduino UNO Wi-Fi REV2. ......................................................................................................... 55 Ilustración 85. Placa de desarrollo ESP32-WROOM-32..................................................................................... 56 Ilustración 86. Tabla comparativa entre las diferentes opciones analizadas. .................................................... 57 Ilustración 87. Esquema electrónico de la placa ES32-WROOM-32D. ............................................................... 58 Ilustración 88. Pinout completo de una placa ESP32 WROOM Genérica. .......................................................... 58 Ilustración 89. Voltaje aplicado contra el valor medido por el ADC del ESP32. .................................................. 59 Ilustración 90. Diagrama de bloques interno del ESP32. Espressif .................................................................... 60 Ilustración 91. ADS1115 Diagrama de bloques. Texas Instruments .................................................................. 62 Ilustración 92. Características típicas de los ADS111x. Texas Instruments ........................................................ 62 Ilustración 93. Características típicas de los ADS111x. Texas Instruments ........................................................ 63 Ilustración 94. Conexión típica del módulo ADS1115 a un microcontrolador. Texas Instruments ....................... 63 Ilustración 95. Encoder rotatorio KY-040 ......................................................................................................... 64 Ilustración 96. Ejemplo esquemático de una red I²C. Wikipedia........................................................................ 65 Ilustración 97. Display LCD 16x2...................................................................................................................... 65 Ilustración 98. Panel solar instalado ................................................................................................................ 66 Ilustración 99. Características técnicas del panel solar..................................................................................... 66 Ilustración 100. Curva característica típica de un panel solar. .......................................................................... 67 Ilustración 101. Esquema de un sistema fotovoltaico con batería y carga. ....................................................... 67 Ilustración 102. Diagrama de evolución de carga de una batería de gel de 12V. .............................................. 68 7 Ilustración 103. Controlado de carga solar PWM. ............................................................................................ 69 Ilustración 104. Controlador de carga solar MPPT BlueSolar. ........................................................................... 69 Ilustración 105. Batería Monoblock 6V. ........................................................................................................... 70 Ilustración 106. Batería AGM. ......................................................................................................................... 70 Ilustración 107. Batería estacionaria 12V. ....................................................................................................... 71 Ilustración 108. Tabla comparativa entre los tipos de baterías. ....................................................................... 71 Ilustración 109. Baterías empleadas y su conexión en serie ............................................................................. 72 Ilustración 110. Característica de regulación para todas las versiones del LM2596. Texas Instruments ............. 73 Ilustración 111. Análisis de eficiencia para todas las versiones del LM2596. Texas Instruments ........................ 73 Ilustración 112. LM2596 versión con salida ajustable. Texas Instruments ........................................................ 73 Ilustración 113. Ficha técnica del regulador de 120W de Bauer Electronics ...................................................... 74 Ilustración 114. Regulador de tensión 120W de Bauer Electronics. .................................................................. 74 Ilustración 115. Características regulador 60W genérico ................................................................................. 74 Ilustración 116. Regulador 60W. ..................................................................................................................... 75 Ilustración 117. Jerarquía de control entre entidades y líneas de comunicación entre ellas con sus respectivos protocolos. ..................................................................................................................................................... 76 Ilustración 118. Esquema de comunicación MQTT implementado. ................................................................... 77 Ilustración 119. Diagrama secuencial general de funcionamiento .................................................................... 79 Ilustración 120. Diagrama de flujo del control de pH y EC ................................................................................ 80 Ilustración 121. Esquema de bloques de un control PID digital. ........................................................................ 81 Ilustración 122. Registro de los sensores de temperatura exteriores y de la mezcla en junio. ............................ 82 Ilustración 123. Registro de control de temperatura; Setpoint: 18ºC ................................................................ 82 Ilustración 124. Registro de medidas del nivel de la solución en el tanque........................................................ 83 Ilustración 125. Diagrama de estados menú principal y submenú OVERVIEW. ................................................. 84 Ilustración 126. Diagrama de estados del submenú MANUAL .......................................................................... 85 Ilustración 127. Diagrama de estados del submenú AUTOMATIC. .................................................................... 85 Ilustración 128. Diagrama de estados para submenú SETTINGS ....................................................................... 87 Ilustración 129. Diagrama de estados de la interfaz para cambiar parámetros ................................................ 87 Ilustración 130. Captura del editor de Node-RED con nodos conectados .......................................................... 88 Ilustración 131. Captura de la sección del documento settings.js para activar el certificado SSL. ...................... 90 Ilustración 132. Captura de la configuración de usuarios en el servidor. ........................................................... 91 Ilustración 133. Captura de las reglas de acceso .............................................................................................. 91 Ilustración 134. Menú Dashboard ................................................................................................................... 92 Ilustración 135. OVERVIEW ............................................................................................................................. 92 Ilustración 136. CAM ...................................................................................................................................... 93 Ilustración 137. Remote Control ...................................................................................................................... 94 Ilustración 138. Reports .................................................................................................................................. 95 Ilustración 139. Diagrama de secuencia del protocolo de comprobación de conexión ...................................... 96 Ilustración 140. Diagrama de secuencia del watchdog timer ........................................................................... 96 Ilustración 141. Chat de notificaciones en telegram......................................................................................... 97 Ilustración 142. Evolución de la temperatura máxima y mínima promedio en Valladolid. ................................. 98 Ilustración 143. Esquema ilustrativo sobre los tipos de pérdidas de calor detallados. ..................................... 100 Ilustración 144. Prestaciones térmicas declaradas para el poliestireno expandido. CYPSA .............................. 100 Ilustración 145. Tabla donde se recoge las pérdidas de calor estimadas......................................................... 100 Ilustración 146. Tablas de consumos desglasado para un día en el mes de marzo .......................................... 102 Ilustración 147. Evolución de la temperatura a largo de un día promedio de marzo en Valladolid. PVGIS Tool 102 Ilustración 148. Representación de la altura del recorrido del sol en junio y diciembre PVGIS Tool .................. 103 Ilustración 149. Perfil de consumo estimado para un día promedio de marzo. ............................................... 103 Ilustración 150. Captura de la interfaz de la herramienta PVGIS. PVGIS Tool .................................................. 104 Ilustración 151. Estudio del estado de la batería a lo largo de la simulación. PVGIS Tool ................................ 104 Ilustración 152. Rendimiento de la batería para el mes de marzo. PVGIS Tool ................................................ 105 Ilustración 153. Rendimiento de la batería para el mes de abril. PVGIS Tool................................................... 105 Ilustración 154. Rendimiento de la batería para el mes de mayo. PVGIS Tool ................................................. 106 8 Ilustración 155. Rendimiento de la batería para el mes de mayo con setpoint 18ºC. PVGIS Tool ..................... 106 Ilustración 156. Rendimiento de la batería para el mes de mayo con setpoint 21ºC. PVGIS Tool ..................... 107 Ilustración 157. Resultados de la simulación con 4800Wh de potencia en la batería y una producción máxima de 1005W por los paneles solares. ................................................................................................................ 107 Ilustración 158. Tabla de corriente máxima en conductor según la sección del cable...................................... 109 Ilustración 159. Tabla de factores de conversión para cables con temperaturas oscilantes. ............................ 110 Ilustración 160. Características técnicas del fabricante para un cable de 2x1mm2. Revi ................................. 110 Ilustración 161. Registro de datos de temperatura (ºC) durante un día; Setpoint: 19ºC .................................. 112 Ilustración 162. Registro de datos de temperatura (ºC) y acción del controlador (%) durante un día; Setpoint: 19ºC ............................................................................................................................................................. 112 Ilustración 163. Seguimiento del EC .............................................................................................................. 113 Ilustración 164. Seguimiento del pH .............................................................................................................. 114 Ilustración 165. Sensor de EC en el mini-depósitos ......................................................................................... 114 Ilustración 166. Sensor de pH en el mini-depósitos ........................................................................................ 114 Ilustración 167. Seguimiento EC sin mejora y con mejora .............................................................................. 115 Ilustración 168. Seguimiento pH sin mejora y con mejora .............................................................................. 115 Ilustración 169. Control para bajar pH .......................................................................................................... 115 Ilustración 170. Control para subir pH con agua ............................................................................................ 116 Ilustración 171. Botella en proceso de descomposición por el NaOH .............................................................. 116 Ilustración 172. Registro de consumo (W) durante un día acorde a la activación de los actuadores. PID: % de activación del calentador; Pump: bombas activadas (on/off) ......................................................................... 117 Ilustración 173. Registro de consumo (W) durante una semana..................................................................... 117 Ilustración 174. Producción y consumo de energía durante varios días .......................................................... 118 Ilustración 175. Voltaje de las baterías durante el funcionamiento. ............................................................... 119 Listado de abreviaturas - AWS Servicios web de Amazon - EC2 Servicio seguro en la nube - EC Conductividad eléctrica - TDS Sólidos totales disueltos - PVC Policloruro de vinilo - 𝑚𝑚2 Milímetros cuadrados - 𝑚2 Metros cuadrados - m Metro - Vatio W - Voltio V - Amperio A - µS/cm Micro Siemens por centímetro - C-Rate Tase de carga/descarga de una batería - ºC Grado Centigrado 9 1. Introducción y objetivos 1.1. Introducción A cada año que pasa se hace más notória la escased de agua y alimentos. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), el hambre, la falta de alimentos y la desnutrición afectan a todos los países del mundo. A todo esto hay que añadir que el mundo desperdicia el 17% de los alimentos mientras 811 millones de personas sufren hambre y no solo eso, sino que se estima que la población mundial alcanzará los 9.7 mil millones de personas para el año 2050, lo que resultará en un aumento del 70% en la demanda de alimentos. Ante esta proyección alarmante, es urgente tomar medidas para garantizar la seguridad alimentaria en el futuro. Para aportar soluciones frente a este problema se ha ideado un huerto hidropónico automatizado, totalmente alimentado por energía solar, con un alto nivel de productividad y diseñado para trabajar tanto en exteriores como en interiores. Este proyecto no solo busca abordar los desafíos alimentarios, sino también contribuir a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030. El enfoque del prototipo está alineado con el ODS 11 y el ODS 2: Ciudades y comunidades sostenibles y hambre 0 en el mundo. Los huertos hidropónicos automatizados se presentan como una gran herramienta con la que abordar el desafío de proporcionar acceso a alimentos frescos y saludables cerca de los centros urbanos a bajo coste. La automatización y la autosuficiencia energética del prototipo , permiten producir alimentos localmente, reduciendo así la dependencia de largos y costosos desplazamientos. Además, nuestro compromiso con la sostenibilidad se refleja en el uso de materiales reutilizables y la optimización de los recursos adquiridos. Estudios realizados por expertos en agricultura sostenible demuestran que los sistemas hidropónicos pueden aumentar significativamente la productividad de los cultivos en comparación con los métodos de cultivo tradicionales.(López Elías, 2018) Por otro lado, la implementación a gran escala del sistema desarrollado es sumamente prometedora, pues el diseño basado en módulos independientes facilita su escalabilidad, además de los beneficios que ofrece, como la eficiencia en el uso del agua y recursos. Lo que lo define como un sistema agrícola sostenible energéticamente y respetuoso con el medio ambiente. En resumen, nuestro proyecto de huerto hidropónico automatizado va más allá de ser simplemente una solución para abordar la falta de alimentos y la escasez de tierras cultivables. Mediante la combinación de tecnología innovadora, sostenibilidad y alineación con los ODS de la Agenda 2030, estamos allanando el camino hacia un futuro próspero y sostenible para las generaciones futuras. 16 3. Análisis de los sistemas hidropónicos 3.1. Tipos de sistemas de cultivo hidropónicos Una vez explicada la técnica de la hidroponía y sus principales características, se procede analizar los diferentes sistemas hidropónicos más utilizados hoy en día y sus variantes: Ilustración 8. Técnicas hidropónicas. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Dentro de estas técnicas, se analizaron aquellas que no usan sustrato y usan un sistema recirculante, es decir, goteo, inundación, NFT y aeroponía. Para poder evaluar correctamente la mejor opción, se realizó una tabla comparativa entre los sistemas. ilustración 09. Como se puede observar, cada sistema tiene sus pros y contras, pero acabo siendo el NFT vertical el sistema escogido, debido a su mayor ratio de productividad frente al resto, a excepción de la aeroponía que fue descartado por su elevada complejidad y presupuesto. Ilustración 9. Tabla comparativa entre sistemas hidropónicos 17 4. Parámetros a controlar en un sistema hidropónico Una vez seleccionado el sistema de cultivo hidropónico vertical, pasamos a analizar los parámetros que queremos controlar. En el caso del huerto vertical, hay que poder controlar como mínimo el pH, el EC, la temperatura de la solución nutritiva, además de la frecuencia de riego. 4.1. Ajuste del pH El pH va a afectar en la forma en la que las raíces absorben los nutrientes que les llegan. El pH debe estar entre los valores de 5.5 y 6.5. En el caso en el que el pH tenga valores superiores a 7.5, la absorción de nutrientes como el NO3- y H2PO4 disminuye independientemente de la concentración de éstos en la solución nutritiva. Por el contrario, si el pH es menor de 7.0, la absorción de K+ y NH4+ se reduce, debido a la competencia de éstos con el H+ en las raíces. Este efecto se hace más evidente cuanto el pH es más ácido. Si tenemos un valor inferior a 4.0, se produce una despolarización de las membranas celulares en las raíces debido al exceso de H+. El Ca2+, Mg2+ y Mn2+ disminuyen su absorción a un pH ácido, mientras que la absorción de aniones es ligeramente favorecida. (Preciado-Rangel, 2006, pág. 109,110). En líneas generales, si el pH es demasiado bajo, o ácido, se puede provocar una intoxicación por hierro o manganeso en las plantas. Además, las soluciones altamente ácidas producen déficits de calcio, fosforo y magnesio en las plantas. Este problema se puede detectar a través de síntomas visibles en las hojas, tales como hojas amarillentas o muertas, quemaduras en sus puntas y crecimiento atrofiado. Ilustración 10. Relación entre la capacidad de absorción de nutrientes y el pH; https://blog.bluelab.com/ph-ec-and-temperature#role-of-ph 18 Por otro lado, si el pH es demasiado alto o básico, las plantas tendrán dificultades para absorber muchos de los nutrientes. Esto lo podemos apreciar en la ilustración 10 en la que se ve que a partir de pH superiores a 7.0, comienza a reducirse la facilidad de absorción de nutrientes como el hierro, el boro y el manganeso. Al igual que con un pH bajo, tener una solución altamente alcalina produce síntomas visibles en las plantas como hojas amarillentas y manchas marrones, además de presentar una necrosis gradual. Existen multitud de formas de controlar el pH. Algunas opciones son usar ácido fosfórico para reducir el pH o bicarbonato para elevarlo. Otra opción es usar ajustadores comerciales, que es la opción adoptada para este proyecto en concreto. (Ilustraciones 12 y 13) El reductor de pH comercial adquirido está formado en 59% de ácido fosfórico y el resto agua, mientras que el elevador de pH es una disolución 59% de hidróxido de sodio. 4.2. Ajuste de la concentración de nutrientes Antes de empezar con este apartado, se considera necesario explicar las diferentes formas existentes de medir este parámetro y sus diferencias. Las unidades de medida más comunes son los EC y el TDS. El TDS habla de la cantidad de solidos disueltos dentro de la solución y se expresa en ppm (partes por millón). Para saber el valor de TDS que tiene una solución, habría que recoger un litro de esta, evaporarlo y medir el peso. Ilustración 12. Elevador de pH, Advanced Hydroponics. https://www.amazon.es/gp/product/B00FS7KVBI/ref=pp x_yo_dt_b_asin_title_o02_s00?ie=UTF8&psc=1 Ilustración 11. Reductor de pH, Advanced Hydroponics. https://www.amazon.es/gp/product/B086Z562RZ/ref=ppx_yo_dt_ b_asin_image_o04_s00?ie=UTF8&psc=1 19 Por otro lado, tenemos el EC o conductividad eléctrica. “El EC es la capacidad de un compuesto para conducir electricidad a partir de la cantidad de sales minerales que hay disueltas en él.” (Growmaxwater, 2019). Este parámetro se mide en siemens por unidad de longitud, Por ejemplo, siemens por centímetro (S/cm). Para dejar una idea clara de sobre las magnitudes que se pueden medir con los sensores EC y TDS, se adjunta una tabla en la que se muestra el valor EC y PPM del agua según su dureza. Ilustración 13. A través del EC se puede determinar la cantidad total de nutrientes disueltos en la solución nutritiva. El control de este parámetro es de crucial importancia, ya que tener un déficit de nutrientes es tan malo como un exceso de ellos. A menor conductividad, las raíces pueden captar mejor los nutrientes del agua, pues la salinidad crea una “resistencia” a la entrada de agua en la planta debido a un mayor potencial osmótico. En la ilustración 14 se muestra una tabla resumen con el rango de EC óptimo para cada planta. Como se puede observar, los rangos oscilan desde los 0.8 mS/cm hasta los 2.8 mS/cm como máximo. Se ha de seleccionar un sensor que abarque este rango de medición con la finalidad de poder cultivar todos los tipos de plantas posibles. Ilustración 13. Dureza del agua en base a su EC Ilustración 14. Tabla resumen de los rango de EC óptimos para cada planta. https://hydrocultura.com/blogs/news/ph-ec-y- temperatura-medicion-y-ajuste-de-parámetros-fundamentales 20 4.3. Temperatura del agua La temperatura del agua influye tanto en la capacidad de absorción de los nutrientes como en la del agua. Temperaturas excesivamente altas o demasiado bajas pueden provocar dificultades de absorción para la planta. En pocas palabras, la temperatura del agua que le llega a las raíces determinará la velocidad en la que las plantas son capaces de absorber los nutrientes que se las proporciona. “Lo ideal es mantener la temperatura de la solución dentro del rango de 18ºC a 22ºC para tener una absorción óptima.” (Dubaniewicz, s. f.) 4.4. Frecuencia de riego de las plantas Además de las variables anteriores, también hay que controlar la frecuencia con la que se riegan las platas. Como es de imaginar, esta variable depende estrechamente del sistema de cultivo y la especie de planta seleccionada. Mientras que en modelos como el NFT es necesario hacer riegos con mucha frecuencia, hay otros modelos como el cultivo por goteo en el que el suministro de agua es más puntual y esporádico. Además, la temperatura exterior y la humedad relativa cobran un papel crítico para determinar dicha frecuencia. Tanto un exceso como un defecto de agua en las plantas puede provocar estrés hídrico. Por lo que es muy importante tener unos niveles de humedad estables en la zona radicular de la planta. (Riego en hidroponía y problemas por exceso de agua - Jardinería, 2021) En la Universidad Mayor de San Andrés se analizó el efecto de la frecuencia de riego en un sistema NFT. Se plantearon 2 frecuencias de riego, la primera de 4.45 horas/día y 3.20horas/día. La primera frecuencia hace trabajar al sistema con un ciclo de trabajo del 0.185, mientras que la segunda es de 0.133. Al final del estudio se observó que la frecuencia de riego de 4.45horas/día arrojó mejores resultados en la producción de plantas, dotándolas de mayor tamaño y pesaje. Ahí reside la importancia de una buena frecuencia de riego.(Eddy, 2018) En cualquiera de los casos, este factor es muy difícil de especificar y por lo tanto debe ser ajustado en base a la experiencia y el monitoreo de las plantas. Para el caso concreto de este proyecto, lo ideal es mojar muy frecuentemente las raíces de las plantas para evitar que se sequen. Se ha propuesto un ciclo de trabajo por defecto del 50% en el que el sistema funciona durante 15 minutos y descansa por otros 15 minutos, así de forma continuada. Una vez llegada las 11 de la noche se deja de bombear agua hasta las 8 de la mañana del próximo día. Siguiendo este horario, se estaría bombeando agua durante 7 horas y media aproximadamente. 21 5. Introducción al prototipo desarrollado En este capítulo se explicará el diseño del prototipo y las razones por las que se planteó así. 5.1. Diseño mecánico del prototipo El sistema desarrollado está formado esencialmente por un depósito donde se almacena la solución nutritiva y 4 torres de PVC agujereadas donde se colocan las plantas. Adicionalmente cuenta con sistemas de tubos PVC por donde sube la solución nutritiva hasta la parte superior de las 4 torres anteriormente descritas. Así mismo, se han incluido depósitos auxiliares y una manguera conectada a la red de agua del edificio para la parte de control. 5.2. Depósito Dentro de la búsqueda de depósitos podemos encontrar una amplia variedad. En el caso concreto del prototipo, se necesitaba un depósito con alta capacidad, barato y si es posible achatado para mejorar la estabilidad del conjunto. La idea inicial por la que se buscó un depósito con alta capacidad era para almacenar grandes cantidades de agua sin tener que rellenarlo. La razón de ser de este concepto es porque inicialmente no se disponía de una manguera o circuito de suministro de agua con el que rellenar el depósito, pero como se verá más adelante se acabó incluyendo debido a que finalmente se pudo disponer de este. De acuerdo con la filosofía del proyecto, se optó por comprar un depósito de segunda mano de 1000 litros. Dentro de este mercado, abunda la venta de contenedores de 1000 litros IBC-GRG con pallet. Estos depósitos son bastante caros de primera mano, teniendo un rango de precio que varía desde los 300€ hasta los 600€ dependiendo del vendedor. Sin embargo, al tratarse de segunda mano, el rango de precios se reduce a 50-100€, lo cual lo hace idóneo para este proyecto. Estos tanques están construidos con polietileno de alta densidad (PEAD-APM) y llevan una válvula de salida en la parte inferior del depósito que facilita la evacuación de líquidos. Añadido a todo esto, este tanque lleva un pallet de madera que mejora la estabilidad del conjunto. Todo lo detallado hasta entonces, presenta unas dimensiones de 1200x1000x1170 mm, lo cual hace que sea lo suficientemente estable para montar el resto del prototipo en base a este. Ilustración 15. Depósito de 1000L IBC-GRG con pallet. https://www.amazon.es/Contenedordep%C3%B3sito-litros-IBC-GRG- pl%C3%A1stico/dp/B08BLT9Q95/ref=sr_1_6?k eywords=deposito+agua+1000+litros&qid=1682 282954&sr=8-6 22 5.3. Torres de PVC Una vez seleccionado el depósito, se eligieron los tubos de PVC en los que se colocarían las plantas (a partir de este punto se denominará a estos tubos como torres para distinguirlos fácilmente del resto de tubos). Haciendo una búsqueda rápida se vio que los perfiles que mejor se pueden ajustar a las dimensiones del prototipo, son los tubos de 200mm de diámetro y 3 metros de altura. Dimensiones inferiores podrían funcionar perfectamente, pero estaríamos desaprovechando el tamaño del depósito y su capacidad. Por el contrario, no se venden tubos con diámetros más grandes. Una vez compradas las torres, se utilizó una pistola térmica y tubos de 50mm de diámetro para hacer los agujeros donde se colocan las plantas. El procedimiento era el siguiente: • Se corta una sección de un tubo de 50 mm de diámetro que se usará como molde para hacer los agujeros en las torres. • Se corta una línea con una longitud aproximada de 5cm con una herramienta de corte. • Se calienta el corte con una pistola térmica durante 2 minutos aproximadamente y a una distancia de 20 cm del corte. De esta forma se logra reblandecer el PVC sin llegar a quemarlo. • Una vez que el PVC es moldeable, se usa el tubo de 50 mm cortado previamente y se inserta en el corte. • Una vez dentro, se moldea el agujero hacia el exterior de la torre y se espera hasta que enfríe. Para acelerar este proceso se puede usar agua fría o algún refrigerante. Se repite este proceso para cada agujero que se quiera hacer. Para hacer los cortes simétricos a lo largo de las torres, se diseñó una plantilla en papel. De esta forma se pudo marcar rápidamente todas las torres con los agujeros. En la siguiente ilustración 17 se presenta un plano que ilustra la distribución de agujeros que se repite a lo largo de las torres. Ilustración 16. Tubos de PVC de 200 mm de diámetro; https://www.bricomart.es/tubo-pvc-o200mm-3m- 10107664.html Ilustración 17. Diseño de los agujeros a lo largo de las torres de PVC. 23 Como se puede ver, tenemos una distribución alternada entre los agujeros de las diferentes líneas con un espacio de 25 centímetros entre ellos. Se optó por esta distancia teniendo en cuanta el tamaño medio de las lechugas que son entre “20 a 30 centímetros de diámetro, según la variedad a la que pertenezcan. Los cogollos tienen un diámetro de cerca de 10 centímetros.” (Lechuga | Introducción | Hortalizas y verduras | CONSUMER EROSKI, 2023). Para instalar las columnas en el depósito se realizaron 4 agujeros, uno en cada esquina, de forma similar a la que aparece en el render de la ilustración 18. Una vez preparadas las torres para su instalación, había que cubrir la parte superior para que no entraran elementos externos al sistema. Por ello se decidió cortar 4 discos de plástico sobrante del proyecto y pegarlos con silicona caliente en la parte superior de los tubos. Estos discos tienen un agujero de 25 mm de diámetro aproximadamente en su centro que permite entrar a la ramificación del sistema de tubos elevadores correspondiente a cada torre. 5.4. Sistema de tubos elevadores Como se explicó al inicio, la idea principal es dejar caer la disolución de nutrientes por las paredes interiores de las torres donde están colocadas las plantas. Para que esto sea posible, se necesita un sistema de impulsión que eleve la disolución a la parte superior de las torres. Dentro del diseño de sistemas hidropónicos verticales, este apartado es uno de los más problemáticos, pues hay que conseguir que la mezcla nutritiva caiga uniformemente a lo largo de las torres. Para subir la mezcla se utilizó dos bombas de agua en serie de 20W que se encuentran en el fondo del depósito y un tubo de 20 mm de diámetro que sube 3 metros hasta la parte elevada del prototipo. Una vez allí, este tubo se divide en cuatro secciones. Cada una de ellas se dirige a una torre diferente como se puede apreciar en la ilustración 19. Este conjunto de tubos posee además un caudalímetro para tener un feedback de cuando la bomba está funcionando y 4 aspersores en la salida de cada terminación. Ilustración 18. Detalle de la tapa superior agujereada Ilustración 19. Detalla del sistema de subida de la solución nutritiva 24 Los aspersores tienen dos propósitos: - Esparcir uniformemente la mezcla por las paredes interiores de las torres. - Regular la cantidad de líquido que sale por cada torre para evitar desbalances de caudal entre torres. Tras su instalación se detectó que el primer propósito no se cumplía correctamente, por lo que se implementó un disco de polipropileno alveolar 2 agujereado en sus extremos. Estos discos se situaron dentro de cada torre, debajo del aspersor. Su función es dejar caer el líquido uniformemente por las paredes. 5.5. Aislante térmico El prototipo desarrollado está pensado para ser utilizado tanto en exteriores como dentro de instalaciones. Este planteamiento implica que el prototipo deber ser capaz de controlar por sí mismo la temperatura de la disolución que reside en el interior de su tanque. Con la intención de regular dicho parámetro, se instalaron varios paneles hechos de poliestireno expandido 3 de 4 cm de grosor que cubren gran parte del exterior del depósito. Estos paneles regulan la temperatura del interior tanto en verano 2 El polipropileno alveolar es un material resistente y ligero, ideal para la creación de embalajes para proteger, separar y transportar mercancías. Su gran versatilidad permite la adaptación a múltiples sectores en los que destacan el sector alimentario, farmacéutico o cosmético. De fácil manipulación, es adecuado para el diseño de cualquier tipo de cartelería y envases, caracterizándose por su ligereza, rigidez, resistencia a los productos químicos, resistencia a la intemperie y por presentar una excepcional planimetría. Es la alternativa ecológica al PVC espumado, no contiene substancias nocivas, es fácilmente reciclable y su combustión no genera gases tóxicos.(Polimer Tecnic, 2022) 3 El poliestireno expandido (EPS) o Airpop es un material plástico espumado compuesto en un 98% por aire. Su extraordinaria ligereza se combina con una gran resistencia y excelentes propiedades de aislamiento térmico y de absorción de impactos, lo que lo convierten en un material con aplicaciones muy interesantes en sectores industriales diversos, como el alimentario, la construcción y la automoción, entre otros. (Knauf Industries, 2017) Ilustración 22. Panel de poliestireno expandido (EPS) indicado para aislamiento térmico; 4 cm de espesor. https://www.obramat.es/poliestireno-expandido-eps-15kg-m3- 200x100-cm-4-cm-espesor-10312414.html Ilustración 21. Aspersores colocados en las salidas del tubo Ilustración 20. Sistema de tubos elevadores 25 como en invierno. Además, este tipo de plástico impide el crecimiento de microorganismos, una propiedad muy adecuada para proyectos en exteriores. Para instalar los paneles de poliestireno hubo que utilizar largas tiras de cinta americana y regulables. Se evitaron adhesivos como pegamentos, porque el poliestireno se resquebraja, o siliconas debido a que el material se funde. En la ilustración 23 se muestra el depósito cubierto por los aislantes térmicos. 5.6. Depósitos auxiliares y manguera de agua Como vimos en la introducción del prototipo, se necesita regular el pH y el EC de la disolución nutritiva. El concentrado de nutrientes ya contiene estabilizadores de pH, pero no se considera suficiente como para tener un buen control de este parámetro. De modo que se decidió incluir 4 pequeños depósitos adicionales que contendrán: - Elevador de pH - Reductor de pH - Concentrado A de nutrientes - Concentrado B de nutrientes Con el elevador y reductor se puede ajustar el pH de la mezcla para mantenerla dentro de los márgenes óptimos. Mientras que, con los concentrados de nutrientes y la válvula de rellenado del depósito, podemos ajustar la electroconductividad de la mezcla. Las botellas están situadas boca abajo en la parte superior del depósito y cada una de ellas cuenta con una electroválvula en la parte inferior con la que se regula la caída de los líquidos. Estas electroválvulas están unidas al tapón de la botella mediante silicona. Este planteamiento facilita mucho el rellenado de las botellas, pues basta con quitar el tapón para rellenarlas. Ilustración 24. Botellas con electroválvula en el tapón Ilustración 23. Tanque de agua con los paneles de poliestireno 32 pudo ver en el análisis de parámetros a controlar, el rango de EC que necesitaban las plantas es desde 0.8 hasta 2.5 mS/cm, por lo que lo ideal es obtener un medidor que pueda trabajar en este rango. Haciendo una búsqueda exhaustiva, el medidor más barato que se pudo encontrar que cumpla con este rango es de la compañía AtlasScientific y el kit más básico cuesta 200 dólares. Por otro lado, el producto comercial inmediatamente inferior es el sensor TDS Meter V1.0 por 5.70€. El fabricante asegura que el sensor está preparado para medir el TDS del líquido donde se sumerja, sin embargo, lo que en verdad hace es medir el EC y convertirlo a TDS a través de un factor de conversión por software que en este caso es de valor ±2. No obstante, este medidor presenta dos inconvenientes. El rango de medición es bastante reducido, de 0 a 2.0 mS/cm según el fabricante y no es un medidor muy preciso. El fabricante asegura que tiene una precisión del 10% sobre el fondo de escala 5 . Si el fondo de escala es de 2.0 mS/cm, entonces tenemos un error de ± 0.2 mS/cm en cada medición. Esto es una medición muy pobre. A pesar de estos inconvenientes, se decidió coger el TDS Meter V1.0 debido a su precio, pues la amplia mayoría de los rangos de EC permitidos para las plantas están dentro de las posibilidades de este medidor y estos rangos son más amplios que el rango de error del medidor como se pudo ver en el capítulo 2.2. 5 Fondo (FULL)de escala: Es el máximo valor de lectura en la escala en uso.(Perez - 1999 - Multímetros Digitales.pdf) Ilustración 40. Especificaciones técnicas del TDS Meter V1.0. https://www.farnell.com/datasheets/3161977.pdf Ilustración 38. Kit K1 EZO-Conductividad.https://atlasscientific.com/kits/conductivity-k-1-0-kit/ Ilustración 39. Características medidor EC 33 El procedimiento de calibración fue algo distinto al realizado con la sonda de pH. En este caso no se disponía de buffers para generar las muestras, por lo que se fabricaron usando el medidor portátil de EC. Se generaron 5 muestras con agua y diferentes concentraciones de solución nutritiva y se apuntaba el valor que arrojaba el medidor portátil para cada. Posteriormente se procedía a medir con el TDS Meter V1.0 y se apuntaba el voltaje. Al igual que con la sonda de pH, se esperaba a que el valor se estabilizara antes de anotarlo. Todas las mediciones se hicieron a la misma temperatura, 20ºC. Es importante remarcar este punto, pues la temperatura del líquido afecta a las mediciones. Cuanta más alta es la temperatura del líquido, mayor es la conductividad del líquido. (Factores que influyen en las mediciones de conductividad, 2023) El resultado fue el siguiente: Ilustración 42. Tabla con las mediciones para la calibración del medidor EC. Una vez realizadas las mediciones, se generó un gráfico donde se puede ver la evolución de los resultados y aplicando el método de mínimos cuadrados obtenemos una recta que aproxime las mediciones del sensor a los valores reales. Ilustración 43. Gráfico que relaciona el voltaje con el EC de las muestras. 0 650 1400 1960 2100 0 500 1000 1500 2000 2500 0.052 0.83 1.53 2.064 2.156 EC (uS/cm) Voltaje (V) CALIBRACIÓN MEDIDOR EC Ilustración 41. TDS Meter V1.0. https://es.aliexpress.com/item/1005002945448661.html 34 Ecuación obtenida con el método de mínimos cuadrados: EC (S/cm) = 1001*Voltaje(V) – 105.3; 6.1.3. Medidor de temperatura de la solución nutritiva Para medir la temperatura de la disolución se necesita un sensor que sea capaz de sumergirse sin problemas y no hace falta que sea muy preciso y con un rango muy amplio, pues el margen de trabajo estará entre los 0 ºC a los 40 ºC como casos extremos. Dentro de las ofertas comerciales, se pueden encontrar multitud de sondas como las RTD, los termopares y los termistores NTC Y PTC. Sin embargo, no se eligió ninguno de estos tipos de medidores, por el contrario, se seleccionó un sensor digital de temperatura DS18B20. La razón por la que se eligió este modelo frente al resto de sensores es por su versatilidad y su amplio uso dentro de la domótica. Debido al extendido uso que se le da al sensor, este cuenta con librerías de libre acceso que facilitan mucho su implementación. Las librerías proporcionadas son One-Wire y DallasTemperature. Este medidor utiliza el protocolo 1-Wire 6 para comunicarse con el resto de los dispositivos. La principal ventaja de este protocolo es que solo necesita un pin de datos para comunicarse. Dicho sensor es fabricado por Maxim Integrated y el sensor usa un encapsulado T0-92 muy parecido al de los transistores. Dentro de las distribuciones de este sensor está la versión sumergible, en la que el encapsulado está dentro de un tubo de acero inoxidable resistente al agua. El rango de medición de este sensor es desde los -55ºC a -125ºC y tiene un error de ±0.5 ºC como máximo cuando trabaja entre los -10ºC y los 85ºC. Dichas características indican que esta sonda es idonea para este proyecto. 6 1-Wire es un protocolo de comunicaciones en serie diseñado por Dallas Semiconductor. Está basado en un bus, un maestro y varios esclavos de una sola línea de datos en la que se alimentan. Por supuesto, necesita una referencia a tierra común a todos los dispositivos. («1-Wire», 2022) Ilustración 44.Sensor de temperatura digital DS18B20. https://cablematic.com/en/products/waterresistant-temperature-sensor-in-ds18b20-cable- format-AJ009/ 35 Ilustración 45. Tabla de características del sensor DS18B20. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/ds18b20.pdf El conexionado del sensor se realiza de la siguiente manera. Se alimenta de forma externa a través del pin VDD y el GND. Por otro lado, el pin de datos del sensor se conecta directamente al microcontrolador colocando una resistencia de 4.7kΩ entre la señal y la alimentación para cables con una distancia menor a 5 metros, como es el caso del proyecto. Esta resistencia hace la función de una resistencia pull-up 7 para establecer los estados lógicos en la comunicación y evitar malas mediciones durante el estado de reposo debido al posible ruido generado por los circuitos electrónicos. Ilustración 46. Conexionado del sensor DS18B20 alimentado de forma externa. https://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ds18b20.pdf 6.1.4. Medidor de temperatura y humedad del ambiente El monitoreo del estado del clima es de vital importancia cuando se habla de un cultivo en exteriores. La humedad y la temperatura exterior afectarán a la frecuencia de riego de las plantas, por lo que poder relacionar estos puede ofrecer datos muy interesantes. Sin 7 La resistencias pull-up y pull-down son resistencias normales que son utilizadas para establecer un estado lógico en la entrada de un circuito lógico. Las resistencias pull-up establecen un 1 lógico cuando el circuito está en reposo y un 0 lógico cuando el circuito está activado. 36 embargo, no se ha podido aplicar dicho control en este proyecto debido a la falta de tiempo para poner en práctica el prototipo. Dentro del mercado, existe una amplia oferta de sensores de humedad y temperatura ambiente, sin embargo, se ha decido buscar un sensor barato de fácil implementación. En el sector de la domótica, la familia de sensores DHT es ampliamente utilizada debido a su bajo coste y comodidad de uso. Los más usados son los DHT11 y DHT22. Mientras que el DHT11 tiene unas características más pobres, solo puede medir de 0 a 50ºC con una precisión de 2ºC y la humedad desde el 20 hasta el 80% con un error del 5%, el DHT22 puede medir desde los -40ºC hasta los 125ºC con una precisión de 0.5ºC. Por otro lado, puede medir la humedad del 0 al 100% con una precisión del 1%. Ilustración 47. Especificaciones del sensor DHT11. A pesar de que el sensor DHT22 es mejor en todos los aspectos, ya se contaba con un sensor DHT11 a mano, por lo que se implementó este mismo. Este sensor es significativamente peor que el otro, pero igualmente cumple con los requisitos necesarios. En Valladolid se tiene una temperatura promedio que varía desde los 1ºC en invierno hasta los 30ºC en verano. Por otro lado, la humedad varía desde el 43 % en julio hasta el 84% en diciembre. (Clima y tiempo en Valladolid: temperatura, precipitaciones, cuándo ir, 2023) El conexionado de los dos sensores es el mismo y es muy simple. Simplemente hay que alimentarlos con 3 - 5.5V en corriente continua en el pin VDD, conectar el pin de signal al microcontrolador y el pin GND al GND del sistema. Adicionalmente se incorpora una resistencia pull-up de 5K entre el VDD y signal en caso de que el cable de comunicación sea menor a 20 metros. Ilustración 48. Sensores de humedad y temperatura DHT11 y DHT22. https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/ Ilustración 49. Ejemplo del conexionado del sensor DHT11 para un cable menor de 20 metros 37 Esta familia de sensores usa el mismo protocolo de comunicación que el sensor de temperatura DS18B20 visto anteriormente, el protocolo One-Wire. En este caso el sensor envía cada segundo un paquete de datos con las mediciones. Cada envío de datos dura 4 milisegundos y consta de 40 bits en los que se tienen 2 butes para la medición de humedad y 2 bytes para la medición de temperatura. Por último, los 8 bits del final se utilizan para la comprobación de errores. Estructura total del paquete: "8bit integral RH data + 8bit decimal RH data + 8bit integral T data + 8bit decimal T data". 6.1.5. Medidor de ultrasonidos Uno de los datos que quiere proporcionar es el nivel del depósito donde se almacena la solución nutritiva. Para ello, se ha seleccionado un medidor de distancias basado en ultrasonidos. Este tipo de sensores son ampliamente utilizados y bastante económicos. Su funcionamiento es muy sencillo. El sensor genera una onda ultrasónica a través de un disparador o trigger, espera a que la onda rebote contra un objeto y el receptor capta la onda de vuelta. El sensor mide el tiempo que tardada en recibir el rebote de la onda y determina la distancia hasta el objeto. Una versión comercial muy conocida de este medidor es el HC-SR04, que tiene una precisión decente y muy bajo precio. No obstante, se requiere un sensor resistente al agua, ya que existe la posibilidad de que se moje. Las alternativas comerciales con protección al agua más usadas son el JSN-SR04T y el A02YYUW. El sensor A02YYUW es esencialmente la versión protegida contra el agua del HC-SR04. Este está formado por un HCSR04 y una envolvente que lo protege del agua. Por otro lado, está el sensor JSN-SR04T. Este transductor 8 está dividió en dos partes, por un lado, se tiene el sensor ultrasónico protegido contra el agua y el módulo electrónico por separado que controla dicho sensor. La unión entre ambas partes se realiza mediante una fina maguera de 3 metros de distancia con dos cables en su interior. Esta distribución permite colocar el sensor en la 8 Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente de salida,1 pero de valores muy pequeños en términos relativos con respecto a un generador.(«Transductor», 2023) Ilustración 50. . Captura del sensor A02YYUW en Aliexpress. https://lc.cx/IkEuM2 38 zona de trabajo sin miedo a dañarlo, mientras que el chip de control está en una zona segura. El JSN-SR04T actúa como transmisor y receptor en el mismo dispositivo, lo cual hace que tenga un tamaño más reducido que su competidor. No obstante, este dispositivo presenta una desventaja frente a su competidor, el A02YYUW. El fabricante declara que la distancia mínima que puede medir es de 20 cm, ilustración 52. Esta característica lo hace inutilizable en situaciones en las que hay que medir pequeñas distancias, sin embargo, ese no es el caso de este proyecto. El depósito utilizado tiene una altura de 1.2 metros aproximadamente, por lo que la desventaja de este sensor no es relevante. Debido a que el resto de las prestaciones de ambas alternativas son muy parecidas, se optó por comprar el JSN-SR04T. Su reducido precio y cable de 3 metros fueron las características que determinaron su elección. Ilustración 52. Tabla de especificaciones del JSN-SR04. Ilustración 51. Módulo ultrasónico impermeable JSNSR04 con módulo de control AJ-SR04M. https://lc.cx/VWLz49 39 El medidor de distancia seleccionado posee varios modos de funcionamiento, en este caso se trabajó con el modo 0. Este modo emula el funcionamiento del HC-SR04. Dentro de la comunidad de programadores de Arduino, se han reportado muchos casos de funcionamiento inconsistente al usar este modo con librerías públicas como NewPing. Sin embargo, muchos usuarios han comentado que si se aumenta la duración del disparo de 10 s a 20 s, el sensor trabaja mucho mejor y devuelve resultados más estables. “I have found that by increasing the length of the Trigger pulse from the common 10us to 20us, the sensor operates more reliably.” (Workshop, 2021) 6.1.6. Sensor de presencia de líquidos Otro de los objetivos de la monitorización del sistema es poder generar alarmas y avisos cuando hay situaciones críticas para el sistema. Dichas alarmas son notificadas al usuario para que esté al tanto del funcionamiento del dispositivo. Entre estas alarmas están los avisos por niveles bajo en los depósitos auxiliares. Como ya se comentó en el apartado 5.6 , existen depósitos donde se almacenan los reguladores de pH y nutrientes para la solución nutritiva. Luego es vital saber cuándo están a punto de vaciarse, de lo contrario, el sistema perdería la capacidad de control sobre la solución nutritiva. Existen muchos tipos de sensores de nivel, entre los más comunes están los interruptores de flotador, de no contacto, los ultrasónicos sin contacto (como el usado para medir el nivel del depósito principal), los ultrasónicos de contacto y por capacitancia. Los más sencillos de usar son los interruptores de flotador o sensores ultrasónicos de contacto, estos transductores tienen únicamente dos estados, activado o no activado. Si detectan líquido envían una señal de valor alto, si por el contrario no detectan líquido envían una señal de bajo nivel. Ilustración 54. Sensor de nivel de flotador. https://articulo.mercadolibre.com.mx/ML M-947099425-interruptor-de-flotador-con- sensor-de-nivel-de-agua-l250mm-_JM Ilustración 53. Colocación del sensor en el depósito 40 Los interruptores de flotador trabajan dentro del depósito a controlar y está formados por un interruptor y una parte móvil de baja densidad capaz de flotar. La parte móvil se moverá cuando el nivel baja y por lo tanto dejará de tocar el interruptor, avisando así al sistema del cambio de estado. Existen multitud de diseños distintos con este tipo de sensores y son bastante eficaces, baratos y sencillos de implementar. (Sensores de nivel, 2023) Por otro lado, los sensores ultrasónicos de contacto constan de dos cristales piezoeléctricos 9 que están encapsulados en la punta del transductor. El material piezoeléctrico es capaz de generar una señal ultrasónica cuando se le aplica un voltaje. De tal manera que cuando hay un líquido entre las dos puntas, el segundo piezoeléctrico es capaz de detectar la onda ultrasónica emitida por la otra punta, en caso contrario, si no hay líquido entre las dos puntas, el receptor no detecta la onda generada por el emisor. Por último, los sensores de nivel por capacitancia actúan como un condensador sumergido en el que el líquido es el material dieléctrico. Cuando un elemento con una conductividad mayor que el aire (agua en este caso) llena el sensor capacitivo, la capacitancia del campo aumenta dependiendo de la constante dieléctrica 10 del material. El electrodo de medición registra este cambio de capacitancia, la señal generada se evalúa en tiempo real y, si la fuerza es adecuada, el resultado de la medición se obtiene en forma del contacto inversor del relé de salida del electrodo. («Medición de nivel capacitiva», 2023) Finalmente se adquirió un pack de 5 sensores de nivel capacitivos debido a su reducido precio y simplicidad de instalación frente al resto de sensores presentados. 9 La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren en su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.(«Piezoelectricidad», 2023) 10 La constante dieléctrica o permitividad relativa (𝜀𝑟) de un medio continuo es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio.(«Constante dieléctrica», 2022) Ilustración 56. Sensor de nivel capacitivo NC57de Fischer. https://www.directindustry. es/prod/fischer-mess-und- regeltechnik/product- 62055-1453479.html Ilustración 55. Representación de las puntas con los materiales piezoeléctricos. https://www.magnetrol.com/es/interrupto r-de-nivel-ultrasonico-por-contacto 41 Estos sensores de la familia XKC-Y, son capaces de detectar la presencia de líquidos a través de las paredes del recipiente. Cuando no hay líquidos, detectan una capacitancia estática. Sin embargo, en cuanto pasa un líquido cerca del sensor, la capacitancia parásita 11 del líquido se acopla al campo eléctrico que genera el sensor, lo que permite al sensor detectar la presencia de líquidos en el interior del depósito. El método de instalación es muy sencillo, se pega el sensor en la parte inferior de la botella con silicona caliente por la parte de fuera. Además este detector cuenta con protección IP67 contra líquidos por lo que no hay problema con que se moje. En la ilustración 57 se muestra un esquema del control. Ilustración 58. Esquema de la implementación del detector de líquido. 11 Capacitancia parásita o la capacitancia parásita es un inevitable y por lo general no deseada capacitancia que existe entre las partes de un componente electrónico o circuito simplemente debido a su proximidad entre sí. Cuando dos conductores eléctricos a diferentes voltajes están juntos, el campo eléctrico entre ellos hace que se almacene carga eléctrica en ellos; este efecto es la capacitancia. Ilustración 57. Detector de presencia de líquidos XKC-Y23. https://m.vi.aliexpress.com/item/4000124752801 .html 48 6.2. Actuadores 6.2.1. Bombas de agua Las bombas sumergibles son las encargadas de subir la solución nutritiva hasta la parte superior de los tubos. La selección de la bomba fue complicada debido a que es uno de los puntos más críticos de este tipo de diseño de cultivos hidropónicos. La mayoría de las bombas con potencia considerable trabajan con corriente alterna, justo lo contrario a lo que se necesitaba en este caso. El proyecto desarrollado trabaja enteramente con corriente continua, de lo contrario habría que añadir un inversor al sistema. Se descartó rapidamente la opción del inversor debido a un incremento muy significativo del presupuesto y mayor consumo eléctrico. Dentro del sector de bombas de agua, no se encuentran datasheets con su funcionamiento o curvas características de las mismas. Dadas estas circunstancias, se seleccionó la bomba con la mayor potencia disponible y con un precio comedido. Su potencia nominal es de 20W a 12V y su consumo nominal es de 2 A (ilustración 69). El fabricante afirma que la altura máxima de la bomba es de 5 metros, se dio por sentado que dicha altura se alcanza con una tubería de 13mm de diámetro, pues es el tamaño mínimo que se puede conectar a la bomba. Sin embargo, se desconoce el caudal al que trabaja para tener esa altura máxima. De igual modo sucede con el caudal máximo, que según afirma el fabricante es 1200 litros/hora (ilustración 69). Las tuberías a través de las que sube el fluido tienen un diámetro de 20 mm. Se seleccionó este diámetro porque no se vendían tubos de menor sección. Una vez instalada la bomba se vio que el agua llegaba a la parte superior, pero con muy poca presión, por lo que se colocó otra bomba en serie para aumentar la altura del conjunto de bombeo. Ilustración 70. Bomba de agua comercial de 20W a 12V en DC. https://www.amazon.es/dp/B09F935J19?ps c=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details Ilustración 69. Especificaciones públicas acerca de la bomba obtenida. https://www.amazon.es/dp/B09F935J19?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details 49 6.2.2. Puente en h y calentador Uno de los actuadores de los que dispone el sistema para regular la temperatura es un cartucho calentador sumergible de 100W que trabaja a 12V (ilustración 71). Esta es una opción bastante asequible dentro de las opciones comerciales disponibles, porque de lo contrario, se tendría que instalar un intercambiador de calor, lo cual se sale fuera del presupuesto y complicaría mucho el diseño. El cartucho está fabricado en acero inoxidable SS 304, lo que permite sumergirlo dentro de la solución nutritiva, pues tiene una alta resistencia a la corrosión. Este calentador está regulado con un puente en H que permite controlar el voltaje medio al que se somete el actuador. Un puente en H es un circuito electrónico que generalmente se usa para controlar motores en corriente continua. El término “puente en H” proviene de la representación típica de la topología del circuito 12 , en el que se muestra el circuito como la interconexión de cuatro interruptores que controlan el voltaje que se aplica sobre la carga. Según que interruptores se accionen, el voltaje en la carga será positivo o negativo, y según que frecuencia, el voltaje medio sobre la carga será mayor o menor. En la lustración 72 se puede ver una representación típica de un circuito en puente en H. Lo que ilustrativamente se ha llamado como interruptor, son en verdad semiconductores, tales como transistores FET, MOSFETS o IGBTs, acompañados de diodos y otros elementos de protección. Estos “interruptores” pueden ser accionados independientemente del resto, lo que permite controlar fácilmente el voltaje sobre la carga. No obstante, el accionamiento de estos “interruptores” debe ser cuidadosamente controlado, para evitar cortocircuitos en el diseño. En el caso de la ilustración 72, para someter al motor a un determinado voltaje se deben accionar de manera conjunta los 12 La topología de un circuito electrónico es la forma que adopta la red de interconexiones de los componentes del circuito. Los diferentes valores o clasificaciones específicos de los componentes se consideran como la misma topología. La topología no se ocupa de la disposición física de los componentes de un circuito ni de sus posiciones en un diagrama de circuito ; De manera similar al concepto matemático de topología , solo se ocupa de las conexiones que existen entre los componentes. Puede haber numerosos diseños físicos y diagramas de circuitos que equivalen a la misma topología. (hmong.wiki, 2023) Ilustración 71. Calentador Tubular de cartucho de inmersión 100W; https://lc.cx/6-cB0B Ilustración 72. . Esquema típico de un puente en H. https://www.a-m-c.com/experience/technologies/powerdevices/h-bridge/ 50 semiconductores Q1 y Q4 mientras que Q2 y Q3 están en reposo, es decir, no dejan pasar la corriente. Dese cuenta de que, si se acciona el grupo contrario, Q3 y Q2, y se deja Q1 y Q2 en reposo, el motor circulará en sentido contrario al anterior, debido a que se está aplicando el voltaje en sentido inverso a la situación anterior. Una manera muy eficiente de controlar un puente en H es mediante el uso de una señal con regulación de ancho de pulso o PWM. Este tipo de señales son señales cuadradas con un ancho de pulso variable que puede variar entre el 0% y el 100%. El módulo IBT2 es una placa que implementa dos chips BTS7960B. Estos dos circuitos integrados de medio puente, son capaces de manejar altas corrientes. El módulo utiliza los dos chips de medio puente para crear un puente completo en H. Como se muestra en la ilustración 74, el integrado BTS7960B contiene un MOSFET de canal P y otro de canal N que están controlados por un controlador integrado que facilita el control del puente en H para microcontroladores externos y aporta protección contra sobrecalentamientos, voltajes elevados o sobre corrientes. Ilustración 73. Señal PWM variando su ciclo de trabajo (Duty Cycle). By Thewrightstuff - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=72876123 Ilustración 74. BTS7960 Módulo Driver para motores. https://www.majju.pk/product/bts7960-ibt2-bts7960-43a- high-power-motor-driver-module/ 51 Ilustración 75. Diagrama de funcionamiento del chip BTS7960. Infineon Tecnologies El módulo IBT-2 recibe un señal PWM desde el microcontrolador cuyo rango es 0-3.3V. Dicha señal es interpretada por el módulo para ajustar el voltaje medio que se aplica al cartucho calentador. En la ilustración 76 se puede observar los diferentes pines y sus función en el módulo. Ilustración 76. Interfaz de control del módulo IBT-2. En microcontrolador envía la señal de control al pin 1, se envían 5V al pin 7, 3.3V a los pines 3, 4 y 0V al pin 8. 52 6.2.3. Relés y electroválvulas Como ya se comentó a lo largo del documento, para hacer la regulación del pH y la electroconductividad, se emplearon varias electroválvulas que se accionan para dejar pasar a los reguladores. Examinando las ofertas comerciales, se hallaron distintos tipos de válvulas, entre ellas se encontraron dos tipos principales, las válvulas solenoides y las servoválvulas. La principal diferencia radica en el modo de funcionamiento. Por un lado, las electroválvulas son accionadas con una corriente eléctrica que generalmente eleva un embolo y dejar pasar el fluido. El principal inconveniente de este planteamiento es que no se puede regular el fluido, solo existen dos posiciones posibles, abierta o cerrada. Este diseño de válvulas es muy barato y fiable, sin embargo, se requiere prestar atención a la presión del fluido a la entrada del accionador, porque si la diferencia de presión no es lo suficientemente alta, el fluido no pasará a pesar de que la válvula esté abierta. Por otro lado, las servovávulas cuentan con un motor que regula la apertura de la válvula. Claramente este planteamiento habilita la posibilidad de regular el flujo que pasa a través de la válvula. Sin embargo, estas son más caras y abultan más, por lo que se optó por usar las válvulas por solenoide debido a su alta versatilidad y bajo coste. Esta opción implica controlar la presión del líquido en la entrada de la válvula. En el caso concreto de este proyecto, se planteó que fuera el propio peso del líquido el que ejerciera la presión sobre la válvula. No obstante, al estar en una botella cerrada, si el líquido salía del depósito, la presión interior sería menor a la exterior, lo que dificultaba que el fluido pasara por el accionador. Para solucionar este problema se realizó un pequeño agujero en la parte superior de las botellas, de tal modo que el aire podía rellenar el espacio que antes era ocupado por el agua. Ilustración 77. Válvula por solenoide comercial. https://lc.cx/JWXKFK Ilustración 78. Servo válvulas de la marca MOOG. https://lc.cx/jjy7ET 53 El hecho de hacer un agujero en las botellas, implicaba tener que taparlo en el momento en el que se rellenaban, por lo que la solución propuesta para solucionar este pequeño inconveniente fue tapar el agujero con una cinta aislante mientras se recargaban y quitarla al momento de colocarlas en el prototipo. Las electroválvulas seleccionadas trabajan a 12 V y estas no dejan pasar el líquido cuando no se las aplica tensión. En la ilustración 77 se muestran las electroválvulas en cuestión y se comprobó que su consumo está alrededor de los 0.3 A mientras está accionada. Las válvulas y bombas son controladas mediante varios relés, para este caso concreto se optó por un conjunto de 8 relés con optoacoplador 13 . Dichos relés son accionados a 5V mediante el microcontrolador. Cada uno de estos relés es capaz de manejar corrientes de hasta 10 A en corriente continua, por lo que son aptos para el uso que se les quiere dar en este proyecto, donde la máxima intensidad que puede pasar por uno de ellos es de 2 A. Ilustración 79. Módulo de 8 relés con optoacoplador de la marca ELEGOO. https://lc.cx/cP5oPE En la ilustración 79 se muestra el conjunto de relés seleccionado. Inicialmente se pretendía controlar estos ocho relés con un integrado 74HC595. Este chip es en un registro de desplazamiento, que cuenta con 3 entradas digitales y 8 salidas digitales. A través de este chip se pueden controlar 8 salidas digitales usando únicamente 3 salidas digitales desde el microcontrolador. En la ilustración 80 se puede ver diagrama del integrado. Las salidas del registro son las salidas que suben desde el Q0 hasta el Q7 y las entradas que comunican con el microcontrolador son la 11, 12 y 13. 13 Un optoacoplador, también conocido como optoaislador o foto-acoplador, es un dispositivo semiconductor que se utiliza para acoplar circuitos aislados. Dentro de un optoacoplador encontrará un emisor de luz y un sensor de luz. (Optoacopladores | RS, 2023) Ilustración 80. Esquema de pines del integrado 74HC595 54 Se ejecutó la implementación del 74HC595 y controlaba correctamente los relés cuando no había cargas conectadas, pero en el momento en el que sí que las había comenzaba a funcionar incorrectamente. Tenía errores como que a veces encendía el relé incorrecto o que activaba todos los relés a la vez. Se trató de solucionar el problema añadiendo un condensador en la alimentación pero no funcionó. Finalmente se acabó sustituyendo el integrado por un microcontrolador auxiliar que se comunica con el microcontrolador principal mediante protocolo UART 14 . La comunicación mediante este protocolo es muy sencilla, solo se requieren dos cables. Uno para la lectura (RX) y otro para la escritura (TX). En la ilustración 81 se puede ver un esquema sobre el conexionado. Se eligió un Arduino NANO para realizar el papel de este microcontrolador auxiliar. Su reducido precio y consumo de 19mA fueron las razones de su elección. Obviamente el Arduino tiene un consumo mucho mayor que el registro de desplazamiento, pero soluciona el problema que se tenía. Sin embargo, existe un obstáculo para realizar este tipo de comunicación entre un Arduino (microcontrolador auxiliar) y un ESP32 (microcontrolador seleccionado), y se trata del voltaje de trabajo. Mientras que el Arduino trabaja a 5 V, el ESP32 trabaja a 3.3 V. Esta diferencia puede dañar gravemente la integridad del ESP32. Para solventar este inconveniente hubo que añadir un convertidor de nivel digital. Este tipo de dispositivos son capaces de reducir o elevar el voltaje de las señales de 3.3 V a 5 V. Estos convertidores digitales usan transistores MOSFET con resistencias pull-up para controlar el voltaje. En la ilustración 82 se muestra el diseño electrónico de cada canal del convertidor digital. Donde HV es el voltaje de operación elevado, 5 V en este caso, y LV el voltaje de operación reducido, 3.3 V. Las resistencias R1 y R2 sirven de resistencias pull-up. 14 UART es un protocolo de comunicación asíncrono en formato serial entre dos dispositivos, emisor y receptor. Se trata de un protocolo muy simple y que solo involucra dos cables para transmitir la información y ambos dispositivos deben estar conectados al mismo ground. La información que se envía es comprimida en paquetes de datos. (Rohde & Schwarz, 2023) Ilustración 81. Esquema de comunicación de dos dispositivos mediante protocolo UART. https://lc.cx/O5MSmV Ilustración 82. Esquema electrónico de un canal del convertidor digital 55 El controlador Arduino seleccionado posee doce salidas digitales, de las que se utilizan 8 los relés y 4 para los sensores de presencia de líquidos, mientras que las entradas analógicas quedan totalmente libres. 6.3. Controladores Dentro del amplio rango de ofertas comerciales de microcontroladores de bajo coste disponibles predominan dos empresas, Arduino y Espressif Systems. La empresa Arduino se dedica al desarrollo y venta de microcontroladores comerciales baratos y de fácil uso, sin embargo, en muchas ocasiones estos controladores están bastante limitados en apartados como la conectividad. Los controladores más populares de esta marca son los Arduino NANO, UNO y MEGA que son placas de desarrollo basadas en la familia del chip Atmega. Respectivamente, cada uno de ellos implementa una versión más potente de este chip, siendo el NANO el modelo que cuenta con la versión menos potente y el MEGA con la versión más capaz. La principal diferencia entre los modelos presentados radica en la cantidad de entradas y salidas que es capaz de manejar la placa de desarrollo. Estos controladores son capaces de leer señales analógicas de hasta 5V, enviar y recibir señales digitales y algunos pines tienen la posibilidad de enviar señales PWM. Este tipo de placas de desarrollo son ampliamente utilizadas en proyectos de bajo coste debido a su reducido precio de venta y la inmensa cantidad de sensores y actuadores que pueden ser controlados con estos dispositivos, de hecho, en muchas ocasiones hay productos que están diseñados para ser utilizados con estas placas exclusivamente. Es por esta razón que usar este tipo de productos es una buena opción, pues se presenta como una alternativa sólida y con mucho soporte detrás. A pesar de todo esto, no es buena elección para el proyecto que se está presentado, pues la conectividad a la red es de vital importancia. Claramente existe la posibilidad de añadir un módulo adicional que permita acceder a redes Wi-Fi y locales, pero estos módulos incrementan mucho el consumo eléctrico y ya existen otros microcontroladores que cuentan con estas Ilustración 84. Arduino UNO Wi-Fi REV2. https://store.arduino.cc/products/arduino-uno-wifi-rev2 Ilustración 83. Arduino NANO V3.0. https://store.arduino.cc/products/arduino-nano 56 capacidades, como es el caso de la familia ESP. De hecho, las ofertas comerciales para dotar de conexión a internet a las placas Arduino, pasan por usar procesadores de otras marcas como Espressif Systems. Otra solución que da la empresa Arduino es la venta de variantes de estas 3 placas. Se les añade funcionalidades adicionales como la conectividad. No obstante, son versiones mucho más caras, como por ejemplo el Arduino UNO Wi-Fi Rev2. Como se ha comentado anteriormente, la familia ESP de la empresa Espressif Systems se presenta como una versión mejorada de las placas de desarrollo de Arduino. Esta empresa desarrolla y comercializa placas de desarrollo basadas en su familia de procesadores ESP. Dentro de esta familia destacan el ESP32 y el ESP8266, siendo el primero el más potente de los dos. Estos procesadores generalmente se implementan en placas de desarrollo parecidas a las que usa la empresa Arduino, sin embargo, la principal diferencia reside en el procesador. Mientras que los procesadores Atmega no están dotados para usar tecnologías como bluetooth o Wi-Fi, los procesadores ESP sí que cuentan con esas herramientas. Esta significativa diferencia hace que los productos de Espressif Systems sean mucho más atractivos para proyecto que usan el IoT 15 como es el caso de este prototipo. Así mismo, estos procesadores cuenta con mayor potencia de cómputo y generalmente un menor tamaño. Es por estas razones por lo que se decidió implementar una placa de desarrollo ESP32-WROOM 32D en el proyecto, pues cuenta con una alta cantidad de pines PINOUT, tiene un tamaño reducido y la capacidad de conectarse a redes Wi-Fi externas. Además, su consumo es bastante reducido, oscilando entre los 80 y 180 mA cuando está conectado a una red Wi-Fi. En la ilustración 86 se detallan algunas diferencias de hardware entre las opciones planteadas. Como se puede ver, los productos de Espressif Systems son mejores en líneas generales que los de la marca Arduino, tanto en desempeño de hardware como en las dimensiones de la placa. 15 La Internet de las cosas (IoT) describe la red de objetos físicos ("cosas") que llevan incorporados sensores, software y otras tecnologías con el fin de conectarse e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a través de Internet. Estos dispositivos van desde objetos domésticos comunes hasta herramientas industriales sofisticadas. (Oracle, 2023) Ilustración 85. Placa de desarrollo ESP32- WROOM-32. https://www.amazon.es/AZDelivery- NodeMCU-ESP32-Development- Parent/dp/B071P98VTG?th=1 57 Ilustración 86. Tabla comparativa entre las diferentes opciones analizadas. 6.3.1. ESP32-WROOM 32D En la ilustración 87 se muestra el esquema electrónico de la placa seleccionada. Esta placa cuenta con 32 pines GPIO 16 . Dentro de estos 32 pines se presentan las siguientes funcionalidades: - 18 Analog-to-Digital Converter (ADC) channels - 3 SPI interfaces - 3 UART interfaces - 2 I²C interfaces - 16 PWM output channels - 2 Digital-to-Analog Converters (DAC) - 2 I2S interfaces - 10 Capacitive sensing GPIOs Además, la PCB cuenta con varios puntos de alimentación a 3.3 V y 5 V, así como varios pines de GND. 16 GPIO (general-purpose input/output) es un pin genérico en un chip, cuyo comportamiento (incluyendo si es un pin de entrada o salida) se puede controlar (programar) por el usuario en tiempo de ejecución. Los pines GPIO no tienen ningún propósito especial definido, y no se utilizan de forma predeterminada.(«GPIO», 2023) 64 desarrollo se llegó a la conclusión de que también era necesario desarrollar un método de control local. Este control se realiza mediante un display LCD en que se muestra un menú donde se pueden visualizar los mismos datos y ajustar los mismos parámetros que en el dashboard remoto. Para poder navegar por el menú, se implementó un encoder con pulsador que permite acceder a submenús, así como modificar valores en tiempo real de manera muy intuitiva y sencilla para el usuario. Este menú se desarrolló sobre la librería pública AiEsp32RotaryEncoder para controlar el encoder. Esta librería es idónea para crear menús o ajustar parámetros, pues está basada en interrupciones de hardware para incrementar los cálculos y está específicamente adaptada para los encoders rotatorios con botón integrado como el KY-040. Al igual que el resto de los componentes, su implementación es muy sencilla y únicamente consta de unir el microcontrolador a este módulo mediante cables. Retomando la parte del display, se implementó esta pantalla debido su reducido precio y bajo consumo energético. La comunicación entre este dispositivo y el controlador se realiza mediante el protocolo introducido anteriormente, el I²C. A pesar de que tanto el módulo ADS1115 como este display puedan compartir puerto sin interferir uno con otro, es por el diseño de este protocolo, pues está basado en una arquitectura maestro-esclavo. En este caso se tiene un maestro, el microcontrolador, y dos esclavos, el módulo ADS1115 y el display. En este protocolo la transferencia de datos es siempre inicializada por el maestro hacia uno de los esclavos, que posteriormente reacciona. El inicio de una transferencia se indica mediante una señal maestra de inicio seguida de una dirección. Esto es reconocido por el correspondiente bit ACK esclavo. Según el bit R/W, el byte de datos se escribe (datos al maestro) o se lee (datos al maestro). El ACK se envía desde el esclavo durante la escritura y desde el maestro durante la lectura. El host reconoce el último byte "leído" como un NACK (no reconocido) para indicar el final de la transferencia. La transferencia finaliza con una señal de parada. Alternativamente, la señal de reinicio se puede enviar al comienzo de una nueva transferencia sin detener la transferencia anterior con una señal de parada. Todos los bytes se transmiten "el bit más significativo primero". («I2C», 2022) Cada esclavo cuenta con una dirección única e inequívoca, que permite al maestro dirigirse al esclavo con facilidad. Esta estructura permite tener hasta 112 elementos conectados a la misma red. En la ilustración 96 se muestra un esquema de la conexión de los dispositivos bajo este protocolo. Ilustración 95. Encoder rotatorio KY-040 65 Ilustración 96. Ejemplo esquemático de una red I²C. Wikipedia Una de las ventajas de este método de comunicación reside en el propio medio de comunicación, pues solo se necesitan dos cables más la alimentación y el GND para mantener toda la comunicación. Uno de los caneles sirve de input y el otro de output para cada uno de los elementos de la red. A pesar de que se trata de un protocolo más lento que los sistemas más nuevos, el I²C se presenta como solución de bajo coste para sistemas embebidos que no requieren de gran rapidez de respuesta, como es el caso presentado. 6.4. Electrónica de potencia Una vez especificados todos los sensores y actuadores que se emplearon en la realización de este prototipo, es hora de hablar de la electrónica que los alimenta. Una de las bases de este proyecto es que sea totalmente autosuficiente, para ello se suó un panel solar, con una batería y un controlador de carga solar. Por ultimo estaría la carga, que representa todo el conjunto sensores, actuadores y controladores. La alimentación de la carga no estaría directamente conectada al controlador de carga debido a las irregulares del voltaje de carga y ruido eléctrico que podría afectar al funcionamiento de la electrónica de control. Por no hablar de que el voltaje de alimentación que necesitan todos los chips e integrados es mucho menor que los 12 – 24 V a los que opera un sistema solar. Es por estas razones que hay que implementar reguladores de voltaje. En su apartado se entrará en mayor profundidad. Ilustración 97. Display LCD 16x2. https://www.amazon.es/BeMatikelectr%C3%B3nico-Display-Amarillo- retroiluminado/dp/B07N2T5FW2 66 6.4.1 Panel solar Los paneles solares se presentan como una alternativa muy interesante para alimentar cargas de baja potencia, como el caso de este prototipo. Generalmente los podemos encontrar de dos tipos, los de 12 y 24 V. Estas dos líneas se diferencian en el voltaje de operación al que son capaces de trabajar los paneles. En el caso de los paneles de 12 V, estos pueden operar con un voltaje de hasta 18 V aproximadamente cuando están conectados al circuito. Se les nombra como paneles de 12 V porque son capaces de cargar baterías de 12 V. Por otro lado, los paneles de 24 V son capaces de alcanzar voltajes de hasta 40 V en circuito, y como se puede deducir, se denominan de esta manera por que suelen trabajar en conjunto con baterías de 24 V. En el caso de este prototipo, el departamento de Optronlab del edificio Lucía, cedió amablemente un panel de 72 celdas de segunda mano. Este se trataba de un panel de 24 V con alguna celda dañada, este defecto reduciría ligeramente la potencia máxima del panel. En la ilustración 99 se muestran las características técnicas del panel solar, que son de capital importancia para dimensionar los cables y la capacidad de autonomía del conjunto. Estos estudios son explicados en próximos capítulos. Todos los actuadores del sistema trabajan a 12 V, lo que en principio podría no ser un inconveniente, pues se podría plantear que el voltaje de funcionamiento del panel solar fuera de 12 V en lugar de 24 V, sin embargo, esto resultaría en un gran desperdicio de potencia. Para explicar adecuadamente esta situación, hay que introducir las curvas IV de los paneles solares. Ilustración 98. Panel solar instalado Ilustración 99. Características técnicas del panel solar 67 Estas son un representación que enfrenta el voltaje frente a la corriente que es capaz de generar panel. En la ilustración 100 se muestra una curva IV típica de un panel solar. Como se puede ver, esta curva representa el funcionamiento del panel según el voltaje de operación que se le asigne. En caso de establecer un voltaje muy reducido, se estaría desperdiciando gran parte de la potencia que es capaz de suministrar dicho panel solar. El punto de trabajo idóneo se establece en el punto de la curva en la multiplicación de la intensidad por el voltaje es máximo, es decir, donde la potencia alcanza su valor más alto. Este valor es el que formaliza el fabricante como potencia máxima del panel solar. De modo que si se quiere aprovechar al máximo la potencia del panel, es imprescindible trabajar en el punto de operación óptimo del panel solar. 6.4.2 Controlador de carga solar El controlador de carga es un elemento de control de crucial importancia dentro de un circuito con paneles solares. Este dispositivo es el encargado de controlar el flujo de corriente dentro del circuito. El flujo de energía se realiza controlando los niveles de intensidad y voltaje que se inyectan en la batería. Dicho flujo de energía depende del estado de carga de la batería y de la energía producida por la fuente fotovoltaica. El controlador de carga solar supervisa constantemente el nivel de carga de la batería para garantizar una carga completa y prolongar así su vida útil. En la ilustración 101 se representa el esquema de conexión típico de un controlador de carga dentro de un sistema fotovoltaico. Ilustración 100. Curva característica típica de un panel solar. Ilustración 101. Esquema de un sistema fotovoltaico con batería y carga. 68 El control de la energía se realiza en función de estado de la batería, donde se pueden diferenciar 3 estados básicos: • Fase Bulk (a granel), en la que la batería está totalmente descargada y toda la energía generada por el panel solar es suministrada a la batería, mientras que la carga no recibe nada. Esta fase dura hasta que la batería alcance la tensión de absorción, que suele ser cuando la batería ha alcanzado el 80 % de su capacidad aproximadamente. • Fase de absorción, una vez que la batería ha alcanzado la tensión de absorción tras la fase Bulk, el regulador mantiene el voltaje de trabajo ligeramente por debajo de dicho voltaje. En el caso de las baterías de gel, que son las usadas en este proyecto, el voltaje de absorción es de 14.1 V aproximadamente. • Fase de flotación, durante esta fase el voltaje se reduce a la tensión de flotación de la batería, generalmente a 13.5 V. En este punto, la corriente que se inyecta a la batería es mínima y se irá reduciendo hasta que la batería este totalmente cargada. Mientras el controlador alimenta las baterías, la energía excedente se suministra a la carga o se pierde en forma de calor. Excepto en la fase Bulk, la carga puede recibir corriente directamente del panel solar. Cabe destacar que la fase Bulk solo se da cuando el controlador ha detectado que la batería se ha descargado profundamente, hasta entonces se permanece en la otras 2 fases. Durante la fase de absorción y flotación el panel alimentará la carga mientras carga el panel y en el caso de que el consumo sea mayor que la producción del panel, la batería suministra la energía restante. En la ilustración 102 se muestra el proceso de carga completa de una batería pasando por las 3 fases recién comentadas. Por tanto el regulador funciona como un dispositivo, no solo de control, sino también de protección para la batería. Evitando sobrecargas, descargas excesivas y sobrecalentamientos que degraden rápidamente su vida útil. Por otro lado, este elemento protege a la batería durante la noche contra la descarga por inversión de corriente. (Insa, 2022) Ilustración 102. Diagrama de evolución de carga de una batería de gel de 12V. 69 Además no solo proteje la batería, sino también la carga, pues evita sobre-corrientes. Es por estar razones que se considera imprescindible su implementación dentro de los sistema fotovoltaicos. Dentro del mercado se pueden diferenciar dos tipos de controladores según su tecnología de funcionamiento, los PWM y los MPPT. Por un lado, los controladores PWM, que son las más sencillos de los dos grupos. Estos disponen únicamente de un diodo entre los paneles solares y las baterías. Este diodo se encarga de eliminar las corrientes inversas que se comentaron antes. Sin embargo, al ser el único elemento de separación entre el panel solar y las baterías, el voltaje de los paneles solares será casi el mismo que el de las baterías. De modo que la batería fija el voltaje de trabajo del panel solar, repercutiendo directamente en que este no pueda trabajar en su punto óptimo. Como se analizó anteriormente, esta situación produce perdidas de potencia que pueden llegar hasta el 25-30%. (Insa, 2022) El método de carga de la batería se realiza mediante PWM, es decir, el controlador realiza pulsos de encendido y apagado para controlar la transferencia de energía. Mediante estos pulsos se reduce la corriente de la fuente eléctrica de acuerdo con la condición de la batería y sus requisitos de recarga. A pesar de no ser totalmente eficiente con el uso del panel solar, este controlador es el más barato y sencillo de entre los dos tipos y se presenta como la mejor opción en sistemas de bajo consumo y bajo coste, ilustración 103. Por otro lado están, los controladores MPPT (Maximum Power Point Tracking, o seguidor del punto de máxima potencia).A diferencia de los anteriores, estos dispositivos sí que separan el voltaje de trabajo del panel solar respecto al voltaje de las baterías. Para ello, emplean un convertidor CC-CC y un seguidor del punto de potencia máxima. Así se logra hacer trabajar a la matriz fotovoltaica de forma óptima, mientras que la batería y la carga reciben la energía generada. Como se puede esperar, los controladores MPPT son más caros, de mayor tamaño y con mejores capacidades, lo que los hace idóneos para instalaciones con altos consumos. Tras el análisis de las opciones comerciales de los controladores de carga, se decidió instalar un controlador PWM debido a su reducido costo y bajo consumo del huerto. Ilustración 103. Controlado de carga solar PWM. https://www.cetronic.es/sqlcommerce/disenos/p lantilla1/seccion/producto/DetalleProducto.jsp?i dIdioma=&idTienda=93&codProducto=9994411 10&cPath=1386 Ilustración 104. Controlador de carga solar MPPT BlueSolar. https://www.electricidadabajocoste.com/ Controlador-de-Carga-12-24-V-15-Amp- MPPT-d58501.htm 70 6.4.3 Baterías Una vez seleccionado el controlador de carga, se procedió a analizar las alternativas disponibles de baterías dedicadas a sistemas fotovoltaicos. Primero se analizó las características que se buscaban en las baterías para el proyecto. Se necesita un elemento que sea capaz de estar en el exterior y recibir luz solar sin que se degrade significativamente. No solo eso, las baterías empleadas deben tener muchos ciclos de vida disponibles para soportar las cargas y descargas diarias de los paneles solares, así como permitir ciclos de descarga profundos. No es necesario que tengan un C-Rate 19 de descarga elevado, sino que sean capaces de almacenar mucha energía y poder liberarla prolongadamente y de forma constante. Posteriormente se realizó un pequeño análisis sobre los tipos de baterías actuales e identificar cuáles son las mejores opciones disponibles para sistemas fotovoltaicos. Las baterías son usualmente catalogadas por el principio en el que se basan o materiales de los que están formadas. Los tipos de baterías más sustanciales para sistemas con paneles solares son: - Baterías monoblock Estas baterías son las más baratas del mercado, pero su acumulación de energía no es muy elevada, cerca del 85%. La tecnología de acumulación y descarga de energía están basada en un compuesto químico de plomo y ácido. Este compuesto emite gases por lo que es necesario almacenarlas en un lugar con buena ventilación y tampoco pueden recibir luz directa. Estas están destinadas para pequeñas instalaciones. Dadas estas especificaciones, no son una buena alternativa debido a su escaso rendimiento y condiciones de trabajo. - Baterías AGM Las baterías de tecnología AGM usan un principio de funcionamiento muy parecido al de las baterías Monoblock, no obstante, estas baterías incluyen adicionalmente una malla de fibra de vidrio que contiene el electrolito 20 , logrando así aumentar su estabilidad y durabilidad. 19 El C-Rate es una unidad para declarar un valor actual que se utiliza para estimar y/o designar el tiempo efectivo esperado de la batería en condiciones variables de carga/descarga. La corriente de carga y descarga de una batería se mide en tasa C. (BSLBATT, 2020) 20 Sustancia que se descompone en iones (partículas cargadas de electricidad) cuando se disuelve en agua o los líquidos del cuerpo.( Diccionario de cáncer del NCI - NCI, 2011) Ilustración 106. Batería AGM. https://www.all-batteries.es/que-es-una- bateria-plomo-agm Ilustración 105. Batería Monoblock 6V. https://acortar.link/BkAsLX 71 Este tipo de baterías están selladas y no emiten gases, como sí lo hacen las anteriores, lo que reduce su mantenimiento al mínimo. Estas se presentan como alternativa muy interesante para instalaciones de consumo medio y de numerosos ciclos de carga y descarga. - Baterías estacionarias Este tipo de baterías no requieren de ningún tipo de mantenimiento, tienen una vida útil bastante elevada y son ideales para situaciones en la que se requiere un consumo por periodos largos. El principio de funcionamiento está basado en una combinación de plomo y ácido muy similar al Monoblock, pero con un montaje compartimentado. En lugar de tener un único bloque, dentro de las baterías estacionarias hay 6 bloques de 2 V cada uno. Esta diferencia, permite a las baterías estacionarias tener las características mencionadas anteriormente. - Baterías de gel Estas baterías basadas en electrólito gelatinoso están pensadas para instalaciones con consumos medios. Estas baterías están diseñadas específicamente para soportar ciclos de descarga profundos sin que su vida útil se vea reducida y tienen una buena respuesta contra las descargas. Al estar selladas no expulsan gases y su mantenimiento es mínimo. - Baterías de litio Las baterías de litio están cerca de ser la opción con mejor desempeño de todas las baterías presentadas, pues logran una eficiencia de casi el 100%. Tienen un C-Rate elevado tanto en la carga como en la descarga y no sufren si son descargadas por completo. Estas características las hacen idóneas para sistemas fotovoltaicos, pues además no requieren de mantenimiento. Como es de esperar, este modelo de baterías son más costosas que las mencionadas anteriormente. En la ilustración 108 se presenta una tabla comparativa entre las alternativas presentadas. Ilustración 108. Tabla comparativa entre los tipos de baterías. Ilustración 107. Batería estacionaria 12V. https://acortar.link/BkAsLX 72 Una vez analizadas las opciones disponibles, se procedió a buscar una batería de gel, AGM o estacionaria de segunda mano. Finalmente se obtuvieron dos baterías de 12 V de gel de 100Ah cada una (ilustración 109). Se conectaron las baterías en serie para operar un voltaje de 24V y poder así trabajar con el panel solar cedido por Optronlab. Dentro de los tipos de baterías existentes, las baterías de gel son una buena opción para el proyecto que se quiere desarrollar, pues permiten descargas profundas, pueden operar a altas y bajas temperatura sin problema y tienen capacidad para hacer muchos ciclos profundos. 6.4.4 Reguladores de voltaje Una vez definidas las fuentes de energía, en este caso, paneles solares y dos baterías de gel, hay que definir cómo se va a alimentar la electrónica. El voltaje de salida del controlador de carga variará entre los 23 V y 36 V, pues está conectado directamente al voltaje de trabajo del resto del sistema. Dentro del sistema hidropónico, se tienen elementos que trabajan a 12, 5 y 3.3 V constantes. Si el voltaje de alimentación no es constante, se producirá un mal funcionamiento, tanto en los controladores como en los sensores. En el caso de los controladores, podrían producirse reseteos cada vez que fluctúe el voltaje, así como variaciones en el voltaje de las señales de salida. Por otro lado, los sensores generalmente usan el voltaje de alimentación como referencia para la medición, de modo que alterar su alimentación repercute directamente en el valor de medida, produciendo mediciones inconsistentes. Una vez detallados los problemas que implica un voltaje de alimentación fluctuante, se vuelve capital la implementación de reguladores. Un regulador de voltaje es un elemento electrónico diseñado para suministrar un voltaje estable y proteger a los equipos conectados frente a sobretensiones, variaciones y caídas de tensión. En el caso concreto de este prototipo, se han empleado 4 reguladores, 2 LM2596S y 2 reguladores a 12V. El circuito LM2596S es un circuito basado en el regulador LM2596 integrado monolítico diseñado y comercializado por la empresa Texas Instruments. Este regulador Buck 21 es capaz de manejar hasta 3 A y tiene dos versiones, con el voltaje de salida fijo o ajustable. 21 Buck. El convertidor reductor12 o convertidor buck (del inglés buck converter) es un convertidor de potencia, DC-DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida una tensión menor que a su entrada.(«Convertidor reductor», 2021) Ilustración 109. Baterías empleadas y su conexión en serie 73 El modelo ajustable permite al usuario regular el voltaje de salida, lo que lo hace muy versátil para alimentar circuitos pequeños como microcontroladores o relés. La regulación del voltaje se realiza con una resistencia variable y un voltímetro. Una vez ajustado el regulador, el voltaje se mantendrá fijo siempre que el voltaje de entrada sea mayor que el de salida. En la ilustración 110 se muestra el diseño recomendado por Texas Instruments para que el regulador funcione de forma ajustable. Ilustración 112. LM2596 versión con salida ajustable. Texas Instruments En la ilustración 110 se detallan las características del integrado en su versión ajustable, en la que se puede ver que el circuito tiene una eficiencia típica a 25ºC del 82%, para un output de 5 V. No es una eficiencia muy alta, pero es suficiente para el propósito que se le da, pues el parámetro que más interesa es el efecto de las perturbaciones de la entrada sobre la salida. En ese caso, en la ilustración 111 se puede ver dicha relación y muestra que, en cualquiera de los casos, esta no supera el 0.1% de cambio sobre el voltaje de salida. Lo que asegura que todos los elementos alimentados con este regulador están protegidos contra las perturbaciones de la alimentación. Ilustración 111. Análisis de eficiencia para todas las versiones del LM2596. Texas Instruments Ilustración 111. Característica de regulación para todas las versiones del LM2596. Texas Instruments 80 8.4.1. Control EC y pH Mientras que el control de la temperatura se ha realizado con un PID digital, el pH y el EC están bajo un control mucho más sencillo. Se establece un límite superior y un límite inferior, si la medición del pH o del EC se sale fuera de este margen, se aplica un control aumento o reduciendo dichos parámetros. El tiempo de muestro es ajustado por el usuario. Se ha decido emplear este sistema debido a la forma de actuación instalada y las características del sistema. Como ya se explicó, el control de estos parámetros se realiza mediante el accionamiento todo o nada de electroválvulas que dejan caer un elevador o reductor del parámetro objetivo. Al tratarse de un accionamiento discreto y siendo un sistema con un tiempo de retraso significativo, se ha considerado que este método de control es el más adecuado y simple. Tratándose de un tanque de agua con muchos litros, hay que esperar a que el elevador o reductor se disuelva en todo el conjunto antes de hacer la medición. De lo contrario se estarían tomando valores erróneos que afectarían a la estabilidad del sistema. De modo que si se establece una frecuencia de muestreo muy alta en un sistema con un tiempo de respuesta muy lento, el control puede volverse oscilatorio o incluso inestable. Dentro de la industria, muchos de los procesos tienen tiempos de respuesta altos y retardos en la respuesta. Para poder controlar exitosamente estos procesos existen dos opciones, compensadores de tiempo muerto (DTC), como el predictor de Smith o un control predictivo, pero por cuestiones de simplicidad se implementó un control discreto ON-OFF. Ilustración 120. Diagrama de flujo del control de pH y EC 81 8.4.2. Control de temperatura Un controlador digital es en pocas palabras un procesador que cada T tiempo resuelve un algoritmo recursivo. Los reguladores digitales son el sustituto digital de los controladores analógicos. En la ilustración 121 se muestra el esquema de un PID digital en diagrama de bloques. Ilustración 121. Esquema de bloques de un control PID digital. https://www.picuino.com/es/control-pid-digital.html Los controladores digitales a diferencia de los analógicos cuentan con un parámetro más a modificar, el periodo de muestreo. Un ajuste apropiado de este parámetro puede marcar la diferencia entre un control estable o un control inestable. Generalmente se siguen una serie de métodos para establecer un margen en el que este valor es adecuado. Una de estos procedimientos consiste en determinar el tiempo de subida de la respuesta del sistema ante una entrada escalón. De tal forma que el periodo de muestro debe ser como mínimo 10 veces menor que el tiempo de subida obtenido. Si bien aumentar mucho el periodo de muestreo puede generar que el control sea inestable debido a la falta de información, reducirlo demasiado también puede provocar otros problemas. Entre estos problemas está un incremento de cálculos y por tanto tiempo de la CPU, así como dificultades para calcular el término derivativo del control y el ruido de alta frecuencia que provocarían cambios bruscos en el control, algo no deseable. En el caso concreto de este sistema, no se pudo evaluar la respuesta del sistema ante una entrada escalón debido a la alta influencia de variables externas. Se recuerda que el depósito están el exterior y a pesar de tener aislante térmico, este es muy sensible a los cambios de temperatura del exterior. En la ilustración 122 se muestra la temperatura de la mezcla y la temperatura exterior a lo largo de un día. Como se puede apreciar, cambios bruscos en el exterior repercuten significativamente en el sistema. 82 Ilustración 122. Registro de los sensores de temperatura exteriores y de la mezcla en junio. Debido a estas circunstancias, se planteó un controlador PI, que elimina el término derivativo y de esta forma se eliminan los inconvenientes que este conlleva. Este ajuste en los controladores es bastante común para controles de temperatura. Dicho control permite ajustar la salida al actuador acorde al error respecto al setpoint. De esta forma si el valor medido está cerca del setpoint, la acción del actuador será menor, siendo más eficaz que los controles ON-OFF. Respecto a la calibración del PI, se decidió hacer un ajuste a base de prueba y error debido a la problemática expuesta anteriormente. A través de varias pruebas se llegó a la siguiente configuración Kp=4 y Ki=0.2 con un periodo de muestreo de 10 segundos. En la ilustración 123 se muestra el proceso de control de la temperatura a lo largo del día con un setpoint de 18ºC. Ilustración 123. Registro de control de temperatura; Setpoint: 18ºC 83 Además de controlar la solución nutritiva, también que monitorear su nivel dentro del depósito. Para ello se instaló un sensor de ultrasonidos que calculaba la distancia entre la tapa del depósito y el agua. El medidor fallaba mucho con las medidas, por lo que se trató de solucionar lanzando varias mediciones seguidas y calculando el valor medio de ellas, pero seguía sin funcionar correctamente, en la ilustración 124 se muestra el registro de las mediciones tomadas. A causa de la inconsistencia de las mediciones del sensor y tras varios intentos de arreglo sin éxito, se decidió implementar dos detectores de presencia de líquidos como los de los depósitos auxiliares. Ilustración 124. Registro de medidas del nivel de la solución en el tanque Uno de ellos marcaría el nivel mínimo y otro el nivel máximo. Cada vez que se detecte que el nivel ha bajado por debajo del nivel mínimo, se comenzará a rellenar el depósito hasta el nivel máximo. 8.5. Manejo en local Como ya se comentó capítulos atrás, el huerto cuenta con dos tipos de acceso, el acceso remoto y el local. Mientras que el control remoto se realiza con un dashboard en la nube, el control local cuenta con un display donde se muestran las opciones del menú. El usuario cuenta con un encoder con pulsador para moverse por el menú. Mediante el giro en sentido horario y antihorario, uno puede moverse entre las opciones disponibles y saber su posición actual mediante un cursor en la pantalla. Para acceder a los submenús o activar accionamientos, se debe pulsar el encoder. En la ilustración 125 se muestra un diagrama de flujo que ilustra las 4 opciones principales del menú (OVERVIEW, MANUAL, AUTOMATIC y SETTINGS) y el submenú asociado a la primera opción. Dentro de OVERVIEW, se presenta un listado de las variables más relevantes y su valor. Dentro de este submenú 84 está la opción UPDATE DATA que si se pulsa con el pulsador, actualiza todas las variables tanto de forma local como remota. Ilustración 125. Diagrama de estados menú principal y submenú OVERVIEW. Variables mostradas en el submenú de OVERVIEW: - pH: pH de la solución nutritiva - EC: Electroductividad de la solución nutritiva (µS/cm) - WTR TEMP: Temperatura de la solución nutritiva (ºC) - WTHR TEMP: Temperatura del ambiente (ºC) - HUMIDITY: Humedad del ambiente (%) - TANK: Nivel de la solución nutritiva del tanque (%) - pH UP: Estado del depósito elevador de pH; 1 por encima del valor mínimo, 0 por debajo del valor mínimo - pH DOWN: Estado del depósito reductor de pH; 1 por encima del valor mínimo, 0 por debajo del valor mínimo - EC UP: Estado de los depósitos con concentrado de nutrientes; 1 por encima del valor mínimo, 0 por debajo del valor mínimo - FLOW: Flujo de solución que impulsan las bombas - PID: Acción del PID sobre el calentador de agua. Desde 0 hasta 255, donde 0 es acción nula y 255 es calentador trabajando al máximo. Cada submenú tiene la opción BACK en la parte superior. Si dicha opción es pulsada, se devuelve al usuario al menú principal. 85 Dentro de la opción MANUAL, aparecen todo los actuadores de los que dispone el sistema y si se pulsa en la opción que marca el cursor, se activará el actuador. En el caso de las bombas (PUMP) y el calentador (HEATER), el menú funciona como un interruptor, si se pulsa se activarán y no se apagarán hasta que el usuario vuelva a pulsar en la opción del actuador. De forma contraria funcionan el resto de opciones, en los que si se pulsan, se accionará el actuador por un tiempo limitado y se volverá a apagar sin que el usuario haga nada. Ilustración 126. Diagrama de estados del submenú MANUAL El apartado de automatic es donde se puede activar o desactivar el modo automático. Este menú cuenta únicamente con 3 opciones. BACK, START PROCESS y STOP PROCESS. Ilustración 127. Diagrama de estados del submenú AUTOMATIC. 86 Por último está el submenú SETTINGS. Este es el más de grande de todos y permite manipular los parámetros de funcionamiento del sistema en modo automático, así como guardar valores en la memoria EEPROM 23 . En la ilustración 128 se muestra el esquema del menú. Si el usuario pulsa en uno de los parámetros, se accede a una interfaz en la que puede ajustar el valor mediante el giro del encoder. Una vez que el usuario ha ajustado el parámetro al valor deseado, basta con pulsar el botón para guardar dicho parámetro y volver al submenú SETTINGS. Cabe destacar que la configuración no será guardada en la memoria EEPROM hasta que el usuario pulse SAVE SETTINGS. Opciones disponibles en este submenú: - BACK: Vuelve al menú principal - MAX_ pH: Límite superior de pH para el proceso de control - MIN_ pH: Límite inferior de pH para el proceso de control - MAX_ EC: Límite superior de EC para el proceso de control (µS/cm) - MIN_ EC: Límite inferior de EC para el proceso de control (µS/cm) - TEMP_SP: Setpoint de la temperatura de la mezcla (ºC) - CYCLE: Frecuencia con la que el sistema comprueba el estado de la solución y regula en caso de estar fuera de los límites establecidos por el usuario (minutos) - TIME_ON: Tiempo que las bombas están encendidas (minutos) - TIME_OFF: Tiempo que las bombas están apagadas (minutos) - Kp: Componente proporcional del PID - Kd: Componente derivativa del PID - Ki: Componente integral del PID - MIN_LEVEL: Nivel mínimo del tanque a partir del cual comienza a rellenarse hasta alcanzar un valor - SAVE SETTINGS: Se guarda la configuración actual en la memoria EEPROM - RESET ESP32: Reinicia el ESP32. - RESET SETTINGS: Establece la configuración de parámetros guardada por defecto. 23 EEPROM o E²PROM son las siglas de Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (ROM programable y borrable eléctricamente).1 Es un tipo de memoria ROM que puede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos ultravioleta. Son memorias no volátiles.(EEPROM - Wikipedia, 2023) 87 Ilustración 128. Diagrama de estados para submenú SETTINGS Ilustración 129. Diagrama de estados de la interfaz para cambiar parámetros 8.6. Node-RED Como se explicó en la introducción de este capítulo, el servidor remoto es una instancia de un ordenador en la nube corriendo Ubuntu. Este ordenador es mantenido por el servicio EC2 de AWS. AWS provee a la instancia creada de entre muchas funcionalidades, una IP pública y un firewall. Mediante el firewall el usuario puede abrir y cerrar los puertos que necesite. En el capítulo de la securización se detalla más en profundidad el tema del firewall y otros aspecto. Dentro de esta instancia se está ejecutando Node-RED. Node-RED es una herramienta de programación que permite conectar dispositivos de hardware, API y servicios en línea de 88 una manera sencilla e intuitiva. Se trata de una aplicación robusta con una gran comunicad detrás que mejora constantemente el framework. De esta forma se mantiene actualizado y fiable. Este framework de código abierto ofrece un editor basado en nodos y líneas de flujos, donde cada nodo tiene una funcionalidad concreta. El lenguaje que soporta esta aplicación es Node.js, del que aprovecha al máximo su modelo no bloqueante basado en eventos. Al tratarse de un modelo muy ligero, este se vuelve ideal para ejecutarse en hardware de reducido rendimiento como las Raspberry PI y electrónica similar. Uno de los puntos fuertes de Node-RED es la posibilidad de securizar el acceso al mismo ofreciendo de forma nativa un control por usuario y contraseña, además de un acceso con certificado SSL mediante un protocolo seguro HTTPS. Cuando Node-RED está en ejecución, este genera un servidor web vinculado a un puerto de la máquina, generalmente el puerto 1880, desde el que se puede acceder a la aplicación generada por Node-RED. Es en este puerto donde se visualizará el panel de control al que el usuario tiene acceso. Ilustración 130. Captura del editor de Node-RED con nodos conectados Para configurarlo dentro de AWS, se ha usado una guía proporcionada por los propios desarrolladores de la aplicación. 8.7. Securización de Node-RED y exposición del servidor Uno de los puntos principales de este proyecto es la accesibilidad y control del dispositivo de forma remota. Antes de exponer el servidor web, hay que securizarlo, para ello existen varias herramientas a implementar. Node-RED tiene una guía en la que se explican todas las herramientas de las que dispone de forma de nativa y como activarlas. Sin embargo, más allá de la securización de Node-RED, hay que explorar las alternativas disponibles para la exposición del servidor. Se barajaron las siguientes herramientas, 89 tunelización SSH, crear una red VPN o simplemente exponer el servidor al público. La decisión de adopción de una solución u otra depende de la estructura construida en Node- RED. El sistema se ejecuta en una entidad aislada de AWS cuya única conexión es con el broker IOT Core de AWS. Es por esta razón por la que consideró que no hacía falta una extrema seguridad para el acceso al servidor. 8.7.1. Túnel SSH Una de las opciones evaluadas fue conectar el dispositivo del usuario al prototipo mediante una tunelización SSH 24 . Una alternativa tan simple como eficaz, en la que se realiza un conexión de puerto a puerto entre equipos mediante el protocolo de comunicación SSH. Es un método que consiste en encapsular un protocolo de red sobre otro o un determinado tráfico de red. En el caso de una conexión SSH, este método se realiza de forma segura agregando una capa de seguridad donde los datos se transfieren encriptados a través de un túnel SSH mediante el reenvío de puertos (port forwarding) desde la computadora local a la computadora remota (y viceversa), para establecer una comunicación con recursos o servicios que solo están disponibles en un lado de la red. (Lois, 2019) 8.7.2. VPN Una VPN (Virtual Private Network) describe la oportunidad de establecer una conexión protegida cuando se usan redes públicas. Esta tecnología cifra el tráfico en internet y enmascara su identidad en la línea. El procedimiento de aplicación sería algo parecido al del túnel SSH. Mediante un programa de código abierto openvpn se crearía un servidor VPN en la entidad donde se ejecuta Node-RED. Una vez configurado este servidor, se crearían los certificados de los usuarios que tenían acceso al servidor. Posteriormente se configuran dichos usuarios con los certificados y ya estaría montado el acceso. 8.7.3. Exposición del puerto Una vez detalladas las alternativas disponibles, se decidió exponer el puerto de Node-RED directamente debido a la simplicidad del proceso y a la escasa explotabilidad del sistema. Tras definir el tipo de acceso, lo primero es implementar el protocolo TLS (HTTPS) para encriptar el tráfico entre el cliente y el servicio de Node-RED. Node-RED habilita de forma 24 SSH (Secure Shell) es un protocolo de comunicaciones seguras entre dos sistemas usando una arquitectura cliente/servidor que permite a los usuarios conectarse a un host remotamente para su posterior administración. A diferencia de otros protocolos de comunicación remota como FTP o Telnet (Telecommunication Network), SSH cifra la sesión de conexión y la comunicación ofreciendo también una infraestructura de autenticación PKI (Public Key Infrastructure) para la conexión con el host remoto.(Lois, 2023) 96 Ilustración 139. Diagrama de secuencia del protocolo de comprobación de conexión Por último, se ha incorporado un watchdog timer en cada controlador. Este elemento de seguridad consiste en una cuenta atrás que el procesador debe reiniciar en cada ciclo de funcionamiento. Si el procesador no reinicia el temporizador dentro del tiempo establecido, el watchdog timer activará automáticamente un reinicio del sistema. La funcionalidad de este temporizador es detectar posibles fallos de programación que puedan bloquear la CPU y evitar que el controlador quede en un estado no operativo por un tiempo prolongado. Si por alguna razón el procesador se bloquea o no puede completar sus tareas en el tiempo esperado, el watchdog timer detectará la anomalía y reiniciará automáticamente el controlador para restablecer su funcionamiento normal. En la ilustración 141 se muestra un diagrama de secuencia del watchdog timer. Ilustración 140. Diagrama de secuencia del watchdog timer 97 8.10. Sistema de avisos al usuario Parte del objetivo de automatizar el control de un huerto hidropónico se basa en poder notificar al usuario con rapidez sobre anomalías o necesidad de revisiones. Para ello se ha implemento un bot de Telegram conectado a Node-RED. Ilustración 141. Este bot avisará al usuario de las siguientes situaciones: - Voltaje bajo de la batería, menor de 23 V - El pH ha sido elevado por estar debajo del margen inferior - El pH ha sido reducido por estar debajo del margen superior - El EC ha sido elevado por estar debajo del margen inferior - El EC ha sido reducido por estar debajo del margen superior - Se está rellenado automáticamente el tanque - Bajo nivel en los depósitos auxiliares Ilustración 141. Chat de notificaciones en telegram 98 9. Análisis de consumo eléctrico Una vez implementados todos los equipos electrónicos, se procedió a hacer un análisis del consumo eléctrico a largo del año. Para ello se ha tenido en cuenta el consumo de todos los equipos relevantes y el ciclo de trabajo estimado a largo de una hora para cada equipo. De esta forma se logra obtener una estimación del consumo total en W por hora (Wh). Dentro de este análisis el factor más relevante es la temperatura exterior. Como ya se explicó en el capítulo de los actuadores(6.2), el prototipo cuenta con un cartucho calentador dentro del depósito, Este calentador de 100 W es el único elemento activo capaz de modificar la temperatura de la solución nutritiva. Junto a este elemento tenemos aislantes térmicos alrededor del depósito que estabilizan la temperatura. Resulta esencial calcular las pérdidas de calor debido a la diferencia de temperatura con el exterior en los casos en los que la temperatura exterior es menor que el mínimo ajustado para el funcionamiento, Para este análisis, se ha puesto como temperatura mínima de funcionamiento 15ºC. Esta temperatura no está dentro del rango óptimo que se comentó al principio, pues este rango es de 18ºC a 21 ºC, pero no es una temperatura extremadamente baja y según otras fuentes es una temperatura utilizable para cultivos hidropónicos. Sin embargo, temperaturas más bajas de esta, dificultarían la absorción de elementos como el fósforo. (Shopkit, 2023) El análisis anual consta de varias estimaciones. Para cada estimación se ha planteado una temperatura exterior distinta para tener una idea sobre el gasto energético que supondría mantener la temperatura de la solución al nivel de la temperatura objetivo. Para determinar las temperaturas mínimas promedio en Valladolid por debajo de los 15ºC se consultó la página WeatherSpark. Esta ofrece un análisis detallado de las temperaturas promedio de la ciudad de Valladolid a lo largo de los años. Ilustración 142. Evolución de la temperatura máxima y mínima promedio en Valladolid. https://es.weatherspark.com/y/35791/Clima-promedio-en-Valladolid-España-durante-todo- el-año 99 Como se puede ver en el gráfico de la ilustración 142, la temperatura mínima promedio está cerca de los 0ºC y esta alcanza los 15ºC en verano. De modo que se plantean las siguientes temperaturas de análisis: 0ºC, 2.5ºC, 5ºC, 8ºC y 12ºC. 9.1. Procedimiento para el cálculo de pérdidas de calor Se plantea un depósito de dimensiones 1.2x1x1.2 m3 totalmente cerrado y que está al 20% de su capacidad. Está totalmente cubierto de poliestireno expandido de 4cm de grosor y las paredes son de poliuretano de alta densidad. Se despreciarán las pérdidas del líquido durante los periodos de bombeo y recirculación. Al tratarse de un depósito con paredes planas y con ausencia de corrientes de aire o agua, el coeficiente de convección 26 natural interno del aire y el agua será muy bajo, pero es un valor muy difícil de calcular, por lo que se hizo la siguiente suposición a través de valores típicos. 50 (W/m2K) (Connor, 2020) y para el aire de 10 (W/m2K) (Coeficiente de transferencia de calor por convección - 2011 - Ayuda de SOLIDWORKS) De igual forma, para el coeficiente de convección externo, que en este caso es aire en movimiento natural. Su valor oscila entre los 5 y 25 (W/m2K). Se supondrá un valor de 10 (W/m2K). Una vez definidos los coeficientes de convección se plantea la ecuación con los sumatorios de todas las pérdidas de calor. 𝑞 = ∆𝑡 · 1000 𝑒 · 𝑘 · 𝐴 Donde: - q: Flujo de calor por unidad de área (W) - e: espesor de los aislantes (mm) - ΔT: Diferencia de temperatura entre las superficies de ambas caras (ºC o ºK) - k: Conductividad térmica de los aislantes (W /(m · ºK)) - A: Unidad de área (m2) Analizando el depósito se diferencian 4 tipos de pérdidas de calor, la tapa superior, las paredes en contacto con el aire, las paredes en contacto con el agua y el fondo del depósito. De modo que la ecuación final tendrá el siguiente aspecto. 𝑞𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑞𝑡𝑎𝑝𝑎 + 𝑞𝑎𝑖𝑟𝑒_𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑞𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜_𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑞𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 26 El coeficiente de transferencia de calor por convección, h, se puede definir como: La tasa de transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de superficie por unidad de diferencia de temperatura. (Connor, 2020) 100 En la ilustración 143 se puede ver un esquema del depósito con los 4 tipos de pérdidas de calor detallados. Se recopiló los valores de conductividad térmica del poliestireno expandido, 0.039 W / (m ·ºK) según el fabricante, y 0.35 W / (m ·ºK) para el poliestireno de alta densidad. (Polietileno PE | Juntas Industriales y Navales, 2023) Ilustración 144. Prestaciones térmicas declaradas para el poliestireno expandido. CYPSA 9.2. Evaluación de los datos Ilustración 145. Tabla donde se recoge las pérdidas de calor estimadas. Como se puede apreciar en la ilustración 145, las pérdidas de calor durante el invierno ascienden hasta los 95 Wh en los momentos más complicados de temperatura, mientras Ilustración 143. Esquema ilustrativo sobre los tipos de pérdidas de calor detallados. 101 que para las temperaturas mínimas más altas típicas de primavera y verano, las pérdidas de calor se reducen significativamente hasta los 19 Wh. Este análisis muestra que sería muy complicado mantener la temperatura de la solución nutritiva en al menos 15ºC, durante la época de invierno. Intentar mantener la temperatura del líquido implicaría un consumo eléctrico considerable. Además de que en muchos casos, el calentador no sería suficiente para hacer frente a esta demanda. Por el contrario, en el resto de estaciones es mucho más factible. En el caso concreto de este proyecto, se dispone de un cartucho calentador de 100 W para regular la temperatura, por lo que utilizando este cartucho al 70% de su capacidad durante los momentos más críticos, es suficiente como para amortiguar la bajada de temperatura exterior. De modo que el análisis de consumo eléctrico se realizará de marzo a noviembre. 9.3. Consumo eléctrico acorde a las pérdidas de calor Como se ha analizado en el capítulo anterior, se pueden diferenciar varios casos de consumo, en épocas de mayor calor por lo general el consumo será menor, pues hay que gastar menos energía en subir la temperatura del agua, mientras que en meses más fríos el consumo se eleva. Es por esta razón que se han generado las siguientes tablas de datos en las que se recoge el consumo de los elementos más significativos del prototipo según las condiciones ambientales. En las ilustraciones 146 se puede distinguir tres grupos elementales: sensores, actuadores y elementos de control. Obviamente serán los actuadores, los elementos que más consumen del conjunto, en especial las bombas de agua y el cartucho calentador. En la ilustración 146 se detalla la potencia media máxima (Wh) y la intensidad instantánea máxima (A) de cada uno de los elementos relevantes del sistema. Estos dos parámetros son muy importantes para el dimensionamiento eléctrico del equipo. Por un lado, la intensidad máxima instantánea muestra el valor máximo de A que puede consumir la carga en un determinado momento. Obviamente este consumo no es continuado a lo largo del tiempo, pero es muy posible que se de en algunas circunstancias. Por otro lado, se ha calculado la potencia media máxima en una hora, es decir, la potencia media consumida durante una hora con las dos bombas funcionando el 50% del tiempo y el cartucho calentado a la máxima potencia prevista según la temperatura exterior. 102 Para el caso simulado en la ilustración 146, se ha supuesto que se está trabajando en el mes de marzo, cuya temperatura mínima promedio es de 2.5ºC. Como se puede observar en la parte inferior de la tabla, la estimación es que se consuman como máximo 13.25 A y 103 W durante las horas más críticas. Posteriormente se generó un ratio de consumos a lo largo del día de acuerdo a la evolución de la temperatura en cada hora. En la ilustración 147 se puede ver la evolución de las temperaturas promedio en marzo según la herramienta PVGIS 27 . Se usó este mes para generar el ratio de comsumos. Dentro de la previsión de consumo, se planteó un horario de trabajo, en el que el dispositivo no trabajaría desde las 23:00 hasta las 8:00 del día siguiente. Durante este periodo, ni las bombas ni el calentador estarían en funcionamiento. De modo que el dispositivo estaría consumiendo en torno a 6 W para alimentar los elementos de control. 27 PVGIS es una herramienta que proporciona información sobre la radiación solar y el desempeño de sistemas fotovoltaicos en cualquier lugar de Europa, África y algunas partes de Asia y América.(PVGIS Online Tool, 2023) Ilustración 147. Evolución de la temperatura a largo de un día promedio de marzo en Valladolid. PVGIS Tool Ilustración 146. Tablas de consumos desglasado para un día en el mes de marzo 103 En la ilustración 149 se puede apreciar el perfil de consumo estimado de acuerdo a la evolución de las temperaturas obtenidas anteriormente. Como se puede ver, en las horas de la madrugada es cuando más mayor consumo se estima debido a las bajas temperaturas y a medida que se entra en las horas más cálidas el consumo se reduce. Ilustración 149. Perfil de consumo estimado para un día promedio de marzo. Gracias a los este ratio, se puede obtener un consumo medio diario aproximado del prototipo, que en este caso concreto está cerca de 870W por día. Con este dato, se procedió a usar un simulador proporcionado por la Comisión Europea que usa la herramienta PVGIS para simular la producción y consumo de los paneles solares según su posición geográfica y características propias del proyecto. PVGIS calcula la producción de energía en régimen aislado de la red eléctrica teniendo en cuenta la radiación solar de cada hora sobre los registros de años anteriores. Los cálculos son hechos siguiendo los siguientes pasos. Se calcula la producción de energía para cada hora de acuerdo a la potencia del panel y la radiación solar. Si la producción es mayor que el consumo de la carga, la energía sobrante se almacena en la batería, en caso contrario, se utiliza la energía de la batería para completar el consumo de la carga. Una vez que la batería está totalmente carga, la energía absorbida que no es utilizada se declara como energía no captada. (PVGIS Online Tool, 2023) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Grados Centigrados (ºC) Watios por hora (Wh) Horas Perfil de consumo diarío estimado Consumo estimado por hora (Wh) Perfil Temperatura(ºC) Ilustración 148. Representación de la altura del recorrido del sol en junio y diciembre PVGIS Tool 104 En la ilustración 150 se muestra la interfaz de la herramienta ya configurada con los parámetros del proyecto. En el borde izquierdo hay varios tipos de simuladores, en este caso se ha elegido la opción off-grid, pues el prototipo está trabajando totalmente aislado de la red eléctrica. Ilustración 150. Captura de la interfaz de la herramienta PVGIS. PVGIS Tool En el resto de las opciones se rellena la máxima potencia declarada del panel solar, 335W, la capacidad de la batería, 2400Wh, pues se instaló 2 baterías de 100Ah de 12V en serie. Se ajusta el límite de descarga de las baterías para proteger su vida útil, en este caso se decidió al 50% por razones ya comentadas en capítulos anteriores y el consumo diario estimado en Wh, 870Wh. Ilustración 151. Estudio del estado de la batería a lo largo de la simulación. PVGIS Tool 105 Por último, se indica el ángulo y dirección del panel, 35ºC y orientado al sur. Con todos los parámetros ajustados se ejecuta la simulación y se generan los siguientes resultados. En la ilustración 152 se puede ver el porcentaje de días en los que la batería llega al límite de descarga, el 50%, y el porcentaje de días en los que la batería está llena. Para el caso de marzo, se estima que el 11% de los días la batería llega al 50% y se corta su alimentación. Por lo que en esa situación el sistema queda sin energía y no será, hasta que el panel vuelva cargar el conjunto, que por lo menos la electrónica de control volverá a estar activa. Sin embargo, los actuadores seguramente no se podrán activar debido a que el panel no estará generando suficiente energía. Dado este análisis, este es un punto que se debe evitar lo máximo posible. De modo que, en lo que respecta a utilizar el prototipo en marzo o meses anteriores, es posible, pero para nada recomendable debido a la escasez de energía. No obstante, se planteó el mismo análisis pero para meses más calurosos como abril y mayo, en los que el calentador cobra una menor importancia, las horas de sol son mayores y por tanto se puede esperar un mejor pronóstico. Realizando el mismo proceso que antes, se obtuvo que el consumo diario en abril está cerca de los 748Wh y en mayo alrededor de los 574Wh. Repitiendo las simulaciones se obtienen los siguientes resultados: Ilustración 152. Rendimiento de la batería para el mes de marzo. PVGIS Tool Ilustración 153. Rendimiento de la batería para el mes de abril. PVGIS Tool 112 10. Resultados Tras completar el montaje y la prueba de automatización del sistema hidropónico, se procedió a plantar lechugas. La especia escogida fue la lechuga de roble. 10.1. Análisis del control de temperatura El control de temperatura mediante un cartucho calentador resultó efectivo para subir rápidamente la temperatura de la mezcla al inicio de la mañana, pero tiene dificultades para mantener la temperatura dentro del margen óptimo de crecimiento ante perturbaciones muy rápidas. En la ilustración 161 se muestra la evolución de la temperatura durante un día acorde a la acción del PID. Ilustración 161. Registro de datos de temperatura (ºC) durante un día; Setpoint: 19ºC Ilustración 162. Registro de datos de temperatura (ºC) y acción del controlador (%) durante un día; Setpoint: 19ºC 113 Durante el análisis se supuso que las pérdidas de calor del agua durante la etapa de bombeo y recirculación no eran suficientemente significativas como para tenerlas en cuenta, pero se acabó detectando lo contrario. Mientras el sistema está suministrando agua a las plantas, la temperatura del agua decrece más rápido de lo que el calentador es capaz de amortiguar. Tras finalizar el periodo de bombeo, el actuador es capaz de elevar la temperatura de la mezcla al valor objetivo. Parte de esta incapacidad del calentador reside en su reducido rendimiento, problema representado en el análisis del consumo, donde se ve que llega a consumir como máximo 60W, en lugar de los 100W estimados. Este problema puede deberse a que la resistencia no es capaz de generar tanta energía o a algún problema del puente en H. Dadas estas circunstancias, se concluyó que el actuador seleccionado es incapaz en muchas situaciones de mantener la temperatura del agua más allá de pequeñas perturbaciones y ayudar por la mañana a subir la temperatura. Por otro lado, los aislantes térmicos realizan bastante bien su función de regular la temperatura de la mezcla frente a la temperatura exterior. Logrando que no suba de los 25 ºC durante el día y que por la noche se mantenga en un valor incluso superior que el del exterior. 10.2. Análisis del control de EC y pH Durante la puesta en marcha, hubo varios problemas con estos medidores. Funcionaban correctamente durante su calibración en solitario, pero al hacerlos trabajar juntos en el depósito de agua, los registros eran inconsistentes y totalmente alejados de los valores reales. En las ilustraciones 163 y 164 se muestran los valores registrados por los sensores. Tras hacer varias pruebas se detectó que la presencia del calentador en el agua alteraba gravemente la medición del pH y el EC. Si se eliminaba el calentador de la mezcla y permanecían únicamente los medidores de EC y pH. El sensor de electroconductividad alteraba significativamente las mediciones del sensor de pH, de modo que se hacía imposible el control de estos parámetros en conjunto. Ilustración 163. Seguimiento del EC 114 Ilustración 164. Seguimiento del pH Tras varios intentos se planteó una solución temporal para este problema. La solución fue crear dos pequeños depósitos, uno por sensor, en el interior de las torres por donde cae el agua. Una pequeña parte de la solución nutritiva queda almacenada en estos “cuencos” donde el sensor puede medir sin perturbaciones externas. Mientras cae solución por los tubos, esta se mezcla con la almacenada en estos mini-depositos y permite actualizar los valores de la solución. Este método funcionó sorprendentemente bien, pero implica un inconveniente muy importante. Esta solución aumenta mucho el tiempo de respuesta del sistema ante ajustes y perturbaciones, lo que dificulta su control. A pesar de que no es perfecta la solución, permite hacer un seguimiento aproximado del valor de EC y pH del sistema, cosa que de la otra manera no sería posible. En las ilustraciones 165 y 166 se muestran los mini-depósitos instalados. Ilustración 166. Sensor de pH en el mini-depósitos Ilustración 165. Sensor de EC en el mini-depósitos 115 Durante el registro de datos con este nuevo sistema, se detectó que el pH no podía ser medido mientras las bombas están activadas, por lo que este valor solo puede ser medido varios minutos después de que las bombas estén en funcionamiento. En las ilustraciones 167 y 168 se muestran registros del pH y el EC tras la implementación de los mini-depósitos. Como se puede ver en el seguimiento del EC, este se mantiene muy constante y estable. Por otro lado, el pH, también se mantiene estable, pero con una menor frecuencia de muestro a causa del inconveniente comentado. Tras implementar estas mejoras, el control de estos parámetros fue un éxito, logrando mantenerlos dentro de los rangos establecidos. A continuación, se muestran capturas de los registros. A pesar de poder hacer un buen seguimiento de estos parámetros, las mediciones no están exentas de valor atípicos o fuera de rango. Dichos valores son registrados, pero no controlados, ya que se modificó el sistema de control para detectar cambios abruptos en las mediciones. Si el pH varía más de 1 punto respecto a los 3 registros anteriores, se considera como mala medición. Si la medición persiste, se realiza una acción de control y se notifica al usuario. De igual forma se actúa con el EC. Durante el funcionamiento, se registraron acciones de control de reducción del pH (ilustración 169) , aumento del mismo (ilustración 170) y leves reducciones del EC. Ilustración 167. Seguimiento EC sin mejora y con mejora Ilustración 168. Seguimiento pH sin mejora y con mejora Ilustración 169. Control para bajar pH 116 Ilustración 170. Control para subir pH con agua Otro problema relacionado con el control del pH es la incapacidad de las botellas de plástico de almacenar el hidróxido de sodio diluido. A pesar de que en páginas webs se afirmaba que este elemento debe ser almacenado en este tipo botellas, se ha visto que el líquido alcalino se comía la botella de plástico. Por lo que se perdió la capacidad de elevar el pH a menos que se añada agua a la solución nutritiva (alternativa empleada). Por el contrario, el resto de los reguladores no han presentado ningún problema con su almacenamiento. “Las soluciones de NaOH deben guardarse en botellas de plástico, porque al guardarlas en botellas de metal estas llegan a corroerse, llegando a destruirlas” (Practica preparación de disoluciones, 2023) Ilustración 171. Botella en proceso de descomposición por el NaOH 117 10.3. Análisis del consumo y producción del prototipo A lo largo de la puesta en marcha se fue registrando el consumo en W del huerto. Con este registro se puede comprobar el rendimiento de los actuadores y ver si consumen lo esperado. Ilustración 172. Registro de consumo (W) durante un día acorde a la activación de los actuadores. PID: % de activación del calentador; Pump: bombas activadas (on/off) Ilustración 173. Registro de consumo (W) durante una semana 118 En las gráficas de las ilustraciones 172 y 173 se muestra el consumo del prototipo. Si uno se fija cuidadosamente, se pueden discernir 4 tipos de consumos: - 6 - 7 W. Es el consumo de la electrónica de control, es decir, el sistema siempre consume 6 - 7W mientras está en funcionamiento. - 22 - 52 W. Este consumo refleja el consumo del prototipo cuando están activadas las bombas de agua. - 61.8W. Este es el consumo del sistema cuando el calentador está funcionando al máximo. - 88 - 100 W es el consumo del huerto cuando las bombas y el calentador están funcionando al mismo tiempo. Ahora que se conoce el rendimiento del sistema, se pueden ajustar mejor las estimaciones de consumo en el simulador y predecir en que meses puede trabajar y en cuáles no. Dado que la capacidad máxima de calentamiento es 50W aproximadamente y en base a las simulaciones realizadas, se prevé que el dispositivo tendrá su mejor desempeño entre marzo y septiembre. Respecto al desempeño del prototipo con energía solar, en ningún momento se han detectado desconexiones de las baterías. Esto indica que el panel y las baterías han sido capaces de mantener el ritmo de consumo del prototipo. En la imagen 174 se muestra los registros de producción, consumo de trabajo durante varios días y en la ilustración 175 la evolución del voltaje durante ese mismo periodo de tiempo. Ilustración 174. Producción y consumo de energía durante varios días 119 Ilustración 175. Voltaje de las baterías durante el funcionamiento. Como se puede observar el voltaje no baja de 24 V a excepción de a las 8 de la mañana, que es el momento en que empieza a trabajar el calentador y las bombas, lo que provoca una reducción del voltaje durante ese periodo, pero en cuanto el panel solar comienza a funcionar, el voltaje vuelve a su valor nominal. Este comportamiento es totalmente normal y no supone ningún problema para el equipo. 10.4. Resistencia a condiciones meteorológicas Uno de los puntos más críticos del diseño era su resistencia ante las adversidades meteorológicas. La más preocupante era el viento. El huerto alcanza los 3 metros de altura, lo que lo hace especialmente débil a fuertes ráfagas de viento. Tras el ensamblado del prototipo, este soportó tormentas, fuertes ráfagas de vientos e incluso granizo y en ninguna de las situaciones tubo ningún problema más allá de una ligera inclinación de las torres. Ilustración 176. Huerto en funcionamiento durante una lluvia de granizo con fuerte viento de viento 120 Otro punto preocupante era la posibilidad de que entrara agua dentro de las cajas estancas. Durante épocas de lluvia suave no entró nada de agua, pero sí durante algunas tormentas y granizadas llegando a dañar varios componentes electrónicos. Tras detectar este problema se reforzó la protección contra el agua y no volvió a suceder. 10.5. Capacidad de alimentar las plantas El huerto está formado de 4 torres con 70 agujeros cada uno aproximadamente. El sistema cuenta con 2 bombas en serie para suministrar a las 4 torres. Durante su funcionamiento se observó que el funcionamiento óptimo lo tenía cuando solo se alimentaban 3 de las 4 torres. Es decir, el sistema de bombeo es capaz de trabajar con las 4 torres, pero empeora la capacidad de alcanzar todas las plantas. De modo que se puede decir que este objetivo no se ha logrado con total éxito. A pesar de ser funcional usando todos los agujeros, hay ciertas posiciones más favorecidas que otras. 10.6. Crecimiento de las plantas Finalmente, tras dos intentos y solucionar errores de control, se logró plantar lechugas con éxito. Su crecimiento es evidente debido a la aparición de raíces en las esponjas y al aumento del tamaño y cantidad de hojas. El prototipo se considera por tanto viable para el crecimiento de plantas y un éxito en este aspecto. En las siguientes ilustraciones se muestra la evolución de las plantas. Ilustración 178. Tercer intento, 24 de mayo Ilustración 177. Detalle del agua cayendo por el interior de una de las torres 121 Ilustración 179. 1 de junio Ilustración 180. 2 de junio 128 13. Bibliografía s.f. : sin fecha de publicación registrada. Los Cultivos del Futuro. (s. f.). Hidroponia24. Recuperado 6 de mayo de 2023, de https://hidroponia24.com/hidroponia-vertical/ 1-Wire. (2022). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=1- Wire&oldid=143246866 5.63€ 29% de DESCUENTO|Regulador de voltaje de 24V a 12V, 5A, 60W, cc cc, convertidor Buck de reducción, fuente de alimentación impermeable para sistema Solar de Motor de barco y coche| |—AliExpress. (s. f.). aliexpress.com. Recuperado 26 de junio de 2023, de //es.aliexpress.com/item/1005005005529665.html?src=ibdm_d03p0558e02r02&sk=&aff_pla tform=&aff_trace_key=&af=&cv=&cn=&dp= 8Ch-relay.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.handsontec.com/dataspecs/module/8Ch-relay.pdf 263127573012.pdf. (s. f.). Recuperado 22 de abril de 2023, de https://www.redalyc.org/pdf/2631/263127573012.pdf Acero Inoxidable 201. (s. f.). NKS. Recuperado 29 de abril de 2023, de https://nks.com/es/distribuidorde-acero-inoxidable/acero-inoxidable-201/ Admin. (2020, marzo 4). TDS Sensor & Arduino Interfacing for Water Quality Monitoring. How To Electronics. https://how2electronics.com/tds-sensor-arduino-interfacing-water-quality-monitoring/ Ads1115.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1115.pdf alldatasheet.com. (s. f.). ACS712 Datasheet(PDF)—Allegro MicroSystems. Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/168326/ALLEGRO/ACS712.html Analog to Digital Converter (ADC)—ESP32——ESP-IDF Programming Guide v4.4 documentation. (s. f.). Recuperado 14 de mayo de 2023, de https://docs.espressif.com/projects/espidf/en/v4.4/esp32/api-reference/peripherals/adc.html Arduino Nano—Arduino Official Store. (s. f.). Recuperado 14 de mayo de 2023, de https://store.arduino.cc/products/arduino-nano Arduino with TDS Sensor (Water Quality Sensor) | Random Nerd Tutorials. (2022, abril 8). https://randomnerdtutorials.com/arduino-tds-water-quality-sensor/ Batería de gel o Agm que las diferencia? (s. f.). Recuperado 25 de mayo de 2023, de https://www.rebacas.com/blog-baterias/39_bateria-de-gel-o-agm-que-las-diferencia-.html Baterías de carro en instalaciónes Solares Fotovoltaicas Autónomas. (s. f.). Recuperado 11 de mayo de 2023, de https://engi.co/bateria-carro-solar/ Bomba de Circulación, Bomba de Refuerzo de bajo Ruido 20W DC12V para Cabezal de Ducha: Amazon.es: Bricolaje y herramientas. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.amazon.es/Bomba-Circulaci%C3%B3n-Refuerzo-Ruido-Cabezal/dp/B0B6ZXN8HL Breve historia de la hidroponía | New Garden System. (2017, enero 25). La forma inteligente de hacer jardinería. https://mypot.eu/blog/hidroponia/breve-historia-de-la-hidroponia/ BTS7960.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://image.dfrobot.com/image/data/DRI0018/BTS7960.pdf CABLE PLANO H05VVH2-F 2X1 BLANCO 10M | Obramat (Bricomart). (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.obramat.es/cable-h02vv-f-2-x-1-mm2-10m-10317384.html Calculadora en línea: Ajuste de curvas mediante métodos de mínimos cuadrados lineales sin restricciones y con restricciones. (s. f.). Recuperado 3 de mayo de 2023, de https://es.planetcalc.com/8735/ Carga eléctrica máxima admisible | Tablas y coeficiente de corrección. (s. f.). Recuperado 6 de mayo de 2023, de https://www.sab-cables.eu/productos/datos-tecnicos/cables-electricos/instruccionespara-la-aplicacion-segura-de-los-cables/condiciones-limite/carga-electrica-maxima-admisible- tablas-y-coeficiente-de-correccion.html Clima y tiempo en Valladolid: Temperatura, precipitaciones, cuándo ir. (s. f.). Recuperado 6 de mayo de 2023, de https://www.climasyviajes.com/clima/espa%C3%B1a/valladolid 129 Coeficiente de transferencia de calor por convección—2011—Ayuda de SOLIDWORKS. (s. f.). Recuperado 3 de mayo de 2023, de https://help.solidworks.com/2011/spanish/SolidWorks/cworks/LegacyHelp/Simulation/Analysis Background/ThermalAnalysis/Convection_Topics/Convection_Heat_Coefficient.htm Connor, N. (2020, enero 7). ¿Qué es el coeficiente de transferencia de calor por convección? Definición. Thermal Engineering. https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-el-coeficiente-de- transferencia-de-calor-por-conveccion-definicion/ Constante dieléctrica. (2022). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Constante_diel%C3%A9ctrica&oldid=147249841 Contenedores IBC / GRG, bidones, cubos, y depósitos de polietileno | Evopack. (s. f.). Recuperado 24 de abril de 2023, de https://www.evopack.net/es/productos/contenedores-para- liquidos/contenedores-ibc-grg-bidones-cubos-y-depositos-de-polietileno/ Control de temperatura | Reguladores y controladores. (s. f.). Recuperado 31 de mayo de 2023, de https://es.omega.com/prodinfo/controladores-de-temperatura.html Controlador PID digital—Control Automático—Picuino. (s. f.). Recuperado 1 de junio de 2023, de https://www.picuino.com/es/control-pid-digital.html Convertidor reductor. (2021). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Convertidor_reductor&oldid=135097047 CORPORATIVA IBERDROLA, I. (s. f.). Hidroponía, una técnica de cultivo aliada de la sostenibilidad. Iberdrola. Recuperado 23 de abril de 2023, de https://www.iberdrola.com/sostenibilidad/que-es- hidroponia-y-ventajas Corriente máxima. (2022). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Corriente_m%C3%A1xima&oldid=146040713 Cultivos hidropónicos en casa, alternativas sostenibles. (s. f.). Recuperado 22 de abril de 2023, de https://www.upb.edu.co/es/central-blogs/sostenibilidad/cultivos-hidroponicos-en-casa Culturas, H. de. (2018, noviembre 3). Cultivos Hidropónicos de Lechuga: Características, nutrientes y más. Las Culturas Del Mundo. https://hablemosdeculturas.com/cultivos-hidroponicos-de-lechuga/ Definición de electrólito—Diccionario de cáncer del NCI - NCI (nciglobal,ncienterprise). (2011, febrero 2). [NciAppModulePage]. https://www.cancer.gov/espanol/publicaciones/diccionarios/diccionariocancer/def/electrolito DHT11 Humidity & Temperature Sensor. (s. f.). DS18B20—Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer. (s. f.). Dubaniewicz, K. (s. f.). PH, EC and temperature – Measuring and adjusting your fundamental parameters. Recuperado 2 de mayo de 2023, de https://blog.bluelab.com/ph-ec-and-temperature ECOTECNIAS_HIDROPONIA.pdf. (s. f.). Recuperado 6 de mayo de 2023, de https://www.imta.gob.mx/gobmx/DOI/libros/2022/ECOTECNIAS_HIDROPONIA.pdf Eddy, Q. V. (2018). EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL SISTEMA NFT EN DOS TIEMPOS DE RIEGO PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LA ELECTROBOMBA EN EL CULTIVO DE LECHUGA EN AMBIENTE CONTROLADO. https://repositorio.umsa.bo/bitstream/handle/123456789/18494/T- 2568.pdf?sequence=1&isAllowed=y EEPROM - Wikipedia, la enciclopedia libre. (s. f.). Recuperado 29 de mayo de 2023, de https://es.wikipedia.org/wiki/EEPROM El Economista. (2022). Agricultura hidropónica: ¿una técnica con futuro? - El Economista. https://eleconomista.com.ar/agro/agricultura-hidroponica-una-tecnica-futuro-n52436 engi. (2020, julio 21). Baterías de carro en instalaciónes Solares Fotovoltaicas Autónomas. engi | Energía Solar. https://engi.co/bateria-carro-solar/ Escuela de Ingenierías Industriales—UVa. (s. f.). Recuperado 22 de abril de 2023, de https://www.eii.uva.es/ Esp32_datasheet_en.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf Factores que influyen en las mediciones de conductividad. (2023). https://www.optek.com/es/Factoresque-influyen-en-las-mediciones-de-conductividad.asp Flash memory. (2023). En Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Flash_memory&oldid=1154375191 130 FreeRTOS (ESP-IDF)—ESP32——ESP-IDF Programming Guide latest documentation. (s. f.). Recuperado 21 de mayo de 2023, de https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/apireference/system/freertos_idf.html Giles, A. (2022, julio 14). Rapid Response: The Ngrok Incident Guide. Sophos News. https://news.sophos.com/en-us/2022/07/14/rapid-response-the-ngrok-incident-guide/ GPIO. (2023). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=GPIO&oldid=148687713 Growmaxwater. (2019, octubre 24). LA IMPORTANCIA DE CONTROLAR LA EC DEL AGUA. BLOG GrowMax Water. http://growmaxwater.com/blog/es/controlar-la-ec-del-agua/ Guía: Cómo iniciar el cultivo en NFT : .: Hydro Environment .: Hidroponia en Mexico. (s. f.). Recuperado 6 de mayo de 2023, de https://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=195 H-bridge. (s. f.). ADVANCED Motion Controls. Recuperado 11 de mayo de 2023, de https://www.a-m- c.com/experience/technologies/power-devices/h-bridge/ Heiney:KSC, A. (s. f.). NASA - Farming for the Future [Feature Articles]. Brian Dunbar. Recuperado 28 de abril de 2023, de https://www.nasa.gov/missions/science/biofarming.html Hidroponía. (2023). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidropon%C3%ADa&oldid=150506397 Hidroponía, el sistema óptimo para producir súper alimentos. (s. f.). Interempresas. Recuperado 26 de abril de 2023, de https://www.interempresas.net/Horticola/Articulos/321189-Hidroponia-el- sistema-optimo-para-producir-super-alimentos.html hmong.wiki. (s. f.). Topología (circuitos eléctricos) Diagramas de circuitosyNombres de topología. Recuperado 11 de mayo de 2023, de https://hmong.es/wiki/Topology_(electronics) Holandés, E. (2015, agosto 9). Fuera de órbita: Verduras cultivadas en el espacio. El Holandés Picante. https://elholandespicante.com/noticias/verduras-cultivadas-en-el-espacio/ Horticultura hidropónica en España—Horticultura. (s. f.). Recuperado 2 de mayo de 2023, de https://www.interempresas.net/Horticola/Articulos/68556-Horticultura-hidroponica-en- Espana.html How to properly set up node-red with nginx. (s. f.). Recuperado 30 de mayo de 2023, de https://atextor.de/2016/06/17/how-to-properly-set-up-node-red-with-nginx.html How to safely expose Node RED to the Internet. (s. f.). GitHub. Recuperado 30 de mayo de 2023, de https://github.com/node-red/cookbook.nodered.org/wiki/How-to-safely-expose-Node-RED-to-the- Internet HS1422s/HS1433: La Producción de Lechuga en Sistemas Hidropónicos a Pequeña Escala. (s. f.). Recuperado 24 de abril de 2023, de https://edis.ifas.ufl.edu/publication/HS1433 https://www.areatecnologia.com. (s. f.). Baterias Para Paneles Solares Fotovoltaicos. Recuperado 25 de mayo de 2023, de https://www.areatecnologia.com/electricidad/baterias-para-paneles- solares.html https://www.facebook.com/BSLBATT. (2020, noviembre 30). How To Understand Discharge Rate And Lithium Battery? Wsd. https://www.lithium-battery-factory.com/discharge-rate/ I2C. (2022). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=I%C2%B2C&oldid=148019048 IBM Documentation. (s. f.). Recuperado 28 de mayo de 2023, de https://www.ibm.com/docs/es/ibmmq/7.5?topic=ssfksj-7-5-0-com-ibm-mq-pro-doc-q002870--htm Infoagro. (2023). Qué es la Conductividad Eléctrica (CE) y Sólidos Disueltos (TDS). Conductividad eléctrica. https://www.infoagro.com/instrumentos_medida/doc_conductividad_electrica.asp?k=53 Insa, +Jorge. (s. f.-a). ¿Cómo funcionan los reguladores de carga solares PWM y MPPT? Monsolar. Recuperado 25 de mayo de 2023, de https://www.monsolar.com/blog/como-funcionan-los- reguladores-de-carga-solares-pwm-y-mppt/ Insa, +Jorge. (s. f.-b). ¿Qué es y qué hace un regulador de carga solar? Monsolar. Recuperado 25 de mayo de 2023, de https://www.monsolar.com/blog/que-es-y-que-hace-un-regulador-de-carga-solar/ International, R. & S. (s. f.). Qué es UART. Recuperado 14 de mayo de 2023, de https://www.rohdeschwarz.com/es/productos/test-y-medida/essentials-test-equipment/digital-oscilloscopes/que-es- uart_254524.html Interruptor de nivel ultrasónico por contacto | Magnetrol. (s. f.). Recuperado 7 de mayo de 2023, de https://www.magnetrol.com/es/interruptor-de-nivel-ultrasonico-por-contacto 131 JSN SR-04T Waterproof Ultrasonic Sensor. (s. f.). Components101. Recuperado 26 de junio de 2023, de https://components101.com/sensors/jsnsr04t-waterproof-ultrasonic-sensor-pinout-datasheet- working-application-alternative JZK 20A 12V / 24V Panel Solar Inteligente Controlador de Carga con Pantalla LCD y Puerto USB, protección contra sobretensión, regulador de Carga Solar para lámpara batería Panel Solar Iluminación LCD : Amazon.es: Industria, empresas y ciencia. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.amazon.es/JZK-inteligente-controlador-sobretensi%C3%B3n- Iluminaci%C3%B3n/dp/B071ZZ2S84/ref=asc_df_B071ZZ2S84/?tag=googshopes- 21&linkCode=df0&hvadid=293729669698&hvpos=&hvnetw=g&hvrand=11525942512114378 827&hvpone=&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hvdvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=1005546&hvtargid =pla-384444578599&psc=1 La Hidroponía: Cultivos sin Suelo | Intagri S.C. (s. f.). Recuperado 22 de abril de 2023, de https://www.intagri.com/articulos/horticultura-protegida/la-hidroponia-cultivos-sin-suelo Lechuga | Introducción | Hortalizas y verduras | CONSUMER EROSKI. (s. f.). Recuperado 24 de abril de 2023, de https://verduras.consumer.es/lechuga/introduccion Llamas, L. (2016, marzo 29). Medir temperatura y humedad con Arduino y sensor DHT11-DHT22. Luis Llamas. https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/ Lm2596.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf?ts=1687715325319 Lois, A. (s. f.). Zona System—Blog Ciberseguridad. Zona System. Recuperado 29 de mayo de 2023, de https://www.zonasystem.com/2019/01/tunel-ssh-port-forwarding-local-remote-dynamic.html López Elías, J. (2018). La producción hidropónica de cultivos. Idesia (Arica), 36(2), 139-141. https://doi.org/10.4067/S0718-34292018005000801 Los electrodos de pH | Academia Testo. (s. f.). Recuperado 2 de mayo de 2023, de http://www.academiatesto.com.ar/cms/los-electrodos-de-ph maria del carmen—Google Drive. (s. f.). Recuperado 27 de abril de 2023, de https://drive.google.com/drive/folders/1C0MgMjWfajfmpW7SY3Bx4GAJKWJ0vwC2 Marketing, I. (2022, agosto 11). Hidroponía vertical. Sistemas Hortícolas Almería. https://www.sistemashorticolasalmeria.com/blog/hidroponia-vertical/ Medición de nivel capacitiva. (s. f.). Rechner Sensors. Recuperado 7 de mayo de 2023, de https://www.rechner-sensors.com/es/documentacion/knowledge/medicion-de-nivel-capacitiva Módulo de Transformador de Potencia Regulador de Voltaje DC-DC 5V-12V 10A 120W Módulo de Fuente de Alimentación Boost: Amazon.es: Bricolaje y herramientas. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.amazon.es/Transformador-Potencia-Regulador-Voltaje- Alimentaci%C3%B3n/dp/B076ZKZKG2 Optoacopladores | RS. (s. f.). Recuperado 14 de mayo de 2023, de https://es.rsonline.com/web/c/displays-y-optoelectronica/optoacopladores-y- fotodetectores/optoacopladores/ Otro_622_soluciones_nutritivas.pdf. (s. f.). Recuperado 29 de abril de 2023, de https://www.agrocabildo.org/publica/Publicaciones/otro_622_soluciones_nutritivas.pdf Perez, I. P. F. (1999). Multímetros Digitales. PH-4502C Sensor de PH Liquido con electrodo E201-BNC. (s. f.). UNIT Electronics. Recuperado 26 de junio de 2023, de https://uelectronics.com/producto/sensor-de-ph-liquido/ Phishing a través de tunelización inversa y acortadores. (s. f.). Segu-Info - Ciberseguridad desde 2000. Recuperado 30 de mayo de 2023, de http://blog.segu-info.com.ar/2022/06/phishing-traves-de- tunelizacion-inversa.html Piezoelectricidad. (2023). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Piezoelectricidad&oldid=149402176 Polietileno PE | Juntas Industriales y Navales. (s. f.). Recuperado 4 de mayo de 2023, de https://www.juntasindustriales.com/es/polietileno-pe/ Polimer Tecnic. (s. f.). Polimer Tecnic. Polimer Tecnic. Recuperado 26 de abril de 2023, de https://www.polimertecnic.com/que-es-polipropileno-alveolar-usos-caracteristicas/ Practica preparacion de disoluciones—751 Palabras | Monografías Plus. (s. f.). Recuperado 1 de junio de 2023, de https://www.monografias.com/docs/Practica-preparacion-de-disoluciones-FK9XH5ZMY 132 Puripunpinyo, H. (2022, abril 19). The Danger of Exposing Localhost to Internet. Medium. https://hussachai.medium.com/inviting-hackers-to-your-machine-using-local-tunneling- 19ce2d275e8e PVGIS Online Tool. (s. f.). Recuperado 5 de mayo de 2023, de https://joint-research- centre.ec.europa.eu/pvgis-online-tool_en ¿Qué es el Internet de las cosas (IoT)? (s. f.). Recuperado 26 de mayo de 2023, de https://www.oracle.com/es/internet-of-things/what-is-iot/ ¿Qué es IP67? | Computer Hoy. (s. f.). Recuperado 7 de mayo de 2023, de https://computerhoy.com/noticias/moviles/que-es-ip67-51518 ¿Qué es la hidroponía? Definición y ejemplos - CDES. (2022, octubre 16). https://cdes.es/blog/que-es-la- hidroponia-definicion-y-ejemplos/ ¿Qué es MQTT? Definición y detalles. (s. f.). Recuperado 29 de mayo de 2023, de https://www.paessler.com/es/it-explained/mqtt ¿Qué es una VPN y cómo funciona? (2023, mayo 18). latam.kaspersky.com. https://latam.kaspersky.com/resource-center/definitions/what-is-a-vpn Redaktion, P.-G. (2022, septiembre 23). Los grados de protección IP | Jungheinrich PROFISHOP. Guía- Profi. https://www.jungheinrich-profishop.es/es/guia-profi/proteccion-ip/ Referencias de tensión y reguladores de tensión. (s. f.). Recuperado 27 de mayo de 2023, de https://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_it/iec_6.pdf Regresión lineal de los mínimos cuadrados (OLS). (s. f.). XLSTAT, Your data analysis solution. Recuperado 3 de mayo de 2023, de https://www.xlstat.com/es/soluciones/funciones/regresion-lineal-de-los- minimos-cuadrados-ols Riego en hidroponía y problemas por exceso de agua—Jardinería. (2021). https://www.interempresas.net/Jardineria/Articulos/417348-Riego-en-hidroponia-y-problemas- por-exceso-de-agua.html Running on Amazon Web Services: Node-RED. (s. f.). Recuperado 29 de mayo de 2023, de https://nodered.org/docs/getting-started/aws Saldias, A. (2018, noviembre 13). Tipos de SENSORES de Temperatura y sus diferencias. SRC Sistemas de Regulación y Control. https://srcsl.com/tipos-sensores-temperatura/ Securing Node-RED : Node-RED. (s. f.). Recuperado 22 de mayo de 2023, de https://nodered.org/docs/user-guide/runtime/securing-node-red#enabling-https-access Sensores de nivel. (s. f.). Recuperado 7 de mayo de 2023, de https://es.omega.com/prodinfo/sondas-de- nivel-medicion.html Shopkit. (s. f.). La Historia de la Hidroponía. Recuperado 22 de abril de 2023, de https://www.groho.es/post/la-historia-de-la-hidroponia Shopkit. (2023). 8 consejos para la producción de hortalizas. https://www.groho.es/post/8-consejos-para- la-produccion-de-hortalizas SotySolar. (2023, enero 3). Baterías para placas solares: Guía 2023 SotySolar. https://sotysolar.es/blog/bateria-solar-instalaciones-fotovoltaicas. SQLite Home Page. (s. f.). Recuperado 7 de junio de 2023, de https://www.sqlite.org/index.html steve. (2018, abril 12). Securing Node-Red with SSL and Username Authentication. http://stevesnoderedguide.com/securing-node-red-ssl SUS304 vs SS304 Stainless steel | SUS304 supplier in Japan. (s. f.). Recuperado 13 de mayo de 2023, de https://www.jainexsteel.com/sus304-vs-ss304-stainless-steel.html Tipos de Sistemas hidropónicos, diferencias y ventajas. (s. f.). Recuperado 22 de abril de 2023, de https://agrotendencia.tv/agropedia/cultivos/hidroponia/tipos-de-sistemas-de-hidroponia/ Transductor. (2023). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transductor&oldid=150968898 Tutorial sensor digital de temperatura DS18B20. (s. f.). Naylamp Mechatronics - Perú. Recuperado 3 de mayo de 2023, de https://naylampmechatronics.com/blog/46_tutorial-sensor-digital-de- temperatura-ds18b20.html 133 Txs0101.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.ti.com/lit/ds/symlink/txs0101.pdf?ts=1687717147647&ref_url=https%253A%252 F%252Fwww.google.com%252F Valvula Solenoide 1/2 pulg Electrovalvula 12v Agua Aire. (2019, abril 16). UNIT Electronics. https://uelectronics.com/producto/valvula-solenoide-1-2-pulg-electrovalvula-12v-agua-aire/ victor. (2017, agosto 3). Poliestireno Expandido: Qué es y cómo se hace. Knauf Industries. https://knaufindustries.es/poliestireno-expandido-que-es-y-como-se-hace/ Vieitez, A. P. (2019, junio 30). Hidroponía: Un cultivo sostenible para mirar hacia el futuro. GCiencia. https://www.gciencia.com/i-emprender/hidroponia-cultivo-sostenible-futuro/ Watchdogs—ESP32——ESP-IDF Programming Guide latest documentation. (s. f.). Recuperado 21 de mayo de 2023, de https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/apireference/system/wdts.html#_CPPv416esp_task_wdt_add12TaskHandle_t Water resistant temperature sensor in DS18B20 cable format. (2023). https://cablematic.com/en/products/water-resistant-temperature-sensor-in-ds18b20-cable- format-AJ009/ WCS1800.pdf. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.winson.com.tw/uploads/images/WCS1800.pdf Workshop, D. (2021, octubre 5). Waterproof Ultrasonic Distance Sensors with Arduino. DroneBot Workshop. https://dronebotworkshop.com/waterproof-ultrasonic/ XKC-Y23-V High And Low Level DC 5V Liquid Level Sensor Water Level Switch Liquid Level Detection Switch Water Level Sensor Liquid Level Alarm Mini Siz. (s. f.). Recuperado 26 de junio de 2023, de https://www.trumsense.com/products/xkc-y23-v-high-and-low-level-dc-5v-liquid-level-sensor- water-level-switch-liquid-level-detection-switch-water-level-sensor-liquid-level-alarm-mini-siz