UNIVERSIDAD UTE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO

CONTROLADO DESDE INTERNET, MEDIANTE UNA

INTERFAZ PARA DISPOSITIVOS MÓVILES Y PC

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO EN MECATRÓNICA

JOSÉ CARLOS MOREANO VELASCO

DIRECTOR: FAUSTO FREIRE, PhD

Quito, marzo 2019

© Universidad UTE 2019.

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 050288192-3

APELLIDO Y NOMBRES: MOREANO JOSÉ CARLOS

DIRECCIÓN:

EMAIL: ppmoreano@gmail.com

TELÉFONO FIJO: 032-804-763

TELÉFONO MOVIL: 0992579303

DATOS DE LA OBRA

TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO CONTROLADO DESDE INTERNET, MEDIANTE UNA INTERFAZ PARA DISPOSITIVOS MÓVILES.

AUTOR O AUTORES: JOSÉ CARLOS MOREANO VELASCO

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

FAUSTO FREIRE, PhD

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO MECATRÓNICO

RESUMEN: Dada la problemática que causa el estrés

hídrico por déficit de agua en los cultivos, se

desarrolló un sistema de control orientado a la

automatización de las infraestructuras de

riego, el cual se enfoca en: encendido de

bombas, apertura y cierre de válvulas para el

flujo del agua y estado de sensores.

Mediante un análisis de la evapotranspiración

del cultivo y la cantidad de agua existente en el

suelo, se determina el momento idóneo para

realizar el riego. El sistema permite mitigar los

desperdicios del recurso hídrico en sembríos

considerablemente extensos.

El microcontrolador envía y recibe datos del

servidor a través de la tecnología GPRS. El

x

Vargas N12-118 Julio Manovelle

22/03/2019

4

servidor es el encargado de realizar los

diferentes cálculos de transpiración y

evaporación del agua, e implementar la lógica

que permite decidir si es necesario o no

realizar el riego.

El servidor se conecta a la base de datos para

realizar las consultas respectivas que se

requieren, para posteriormente ser

desplegadas de manera gráfica en la interfaz

web.

El usuario interactúa con el sistema mediante

la interfaz web, permitiéndole tener registros

de los valores sensados, observar el estado

del cultivo en tiempo real mediante gráficas, y

modificar el modo de activación de los

actuadores, ya sea de forma manual o

automática.

En conclusión, se abarcaron cada una de las

eventualidades que se pueden presentar en un

entorno real, la manipulación de cada uno de

los actuadores es satisfactoria, al validar los

cálculos realizados por un agrónomo, el

sistema puede ser implementado de manera

satisfactoria.

PALABRAS CLAVES: Evapotranspiración, GPRS, interfaz, actuadores.

ABSTRACT: Starting from the problem caused by the

constant monitoring of the water supply in

large-area crops, a control system was

developed to automate irrigation

infrastructures, which focuses on turning on

pumps, opening, and closing valves for water

flow and sensor status.

Through an analysis of crop evapotranspiration

and the amount of water in the soil, it’s decided

the ideal time to perform the irrigation. The

system allows to mitigate the waste of the

water resource in considerably extensive

crops.

The microcontroller sends and receives data

from the server through the GPRS technology

of the telecommunications company that is

used. The server oversees carrying out the

different transpiration and water evaporation

calculations and implementing the logic that

allows to stablish if it is necessary or not to

carry out the irrigation.

The server connects to the database to perform

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a Dios, mis padres y hermanos por apoyarme

siempre durante mi formación académica, siendo el pilar fundamental para

que se cumpla esta meta.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ................................................................................................. 1

ABSTRACT ............................................................................................... 2

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................. 4

1.2. COMUNICACIONES MÓVILES ........................................................ 6

1.2.1. SISTEMA GLOBAL PARA LAS COMUNICACIONES

MÓVILES (GSM) ........................................................................... 6

1.3. INTERNET DE LAS COSAS ............................................................. 8

1.4. SERVICIO WEB ................................................................................ 8

1.4.1. METODOS DE PETICIÓN HTTP .................................................. 9

1.4.2. NOTACIÓN DE OBJETO DE JAVASCRIPT (JSON) .................... 9

1.5. EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET) ........................................................ 9

1.5.1. VARIABLES CLIMÁTICAS .......................................................... 10

1.5.2. FACTORES DE CULTIVO ........................................................... 10

1.5.3. MANEJO Y CONDICIONES AMBIENTALES .............................. 10

1.5.4. EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA ............................. 10

1.5.5. PENDIENTE DE LA CURVA DE PRESIÓN DE SATURACIÓN DE

VAPOR ....................................................................................... 11

1.5.6. FLUJO DEL CALOR DEL SUELO .............................................. 11

1.5.7. RADIACIÓN NETA SOLAR O DE ONDA CORTA ...................... 12

1.5.8. RADIACIÓN SOLAR EN UN DÍA DESPEJADO ......................... 12

1.5.9. RADIACIÓN NETA DE ONDA LARGA ...................................... 12

1.5.10. RADIACIÓN NETA ..................................................................... 13

1.5.11. PRESIÓN DE SATURACIÓN DE VAPOR A TEMPERATURA

DEL AIRE ................................................................................... 13

1.5.12. PRESIÓN REAL DE VAPOR ..................................................... 13

1.7. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO ÚTIL .................................. 14

2. METODOLOGÍA ............................................................................. 15

2.1. REQUERIMIENTOS ........................................................................ 15

2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA ................................................ 16

2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA ........................................... 17

2.3.1. DISEÑO DEL ENTORNO SIMULADO ........................................ 17

2.3.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO FÍSICO ............................................ 19

ii

2.3.3. DISEÑO ELÉCTRICO Y DE CONTROL DEL PROTOTIPO ....... 20

2.3.4. DISEÑO DE LA BASE DE DATOS ............................................. 23

2.3.5. DISEÑO DEL APLICATIVO WEB ................................................ 23

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................... 26

3.1. PRUEBAS DE CONEXIÓN ............................................................. 27

3.2. ACTIVACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO ....................................... 28

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................. 32

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................33

ANEXOS ..................................................................................................34

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Valores mínimos y máximos de humedad en el suelo para cada

nivel de profundidad……………………………………………………22

Tabla 3. Velocidad de respuesta ante una petición POST y GET ............... 35

Tabla 4. Valores de sensores para activación de sistema ........................... 37

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Unidad de control para sistema automático de riego ..................... 4

Figura 2. Arquitectura del sistema propuesto por Electronobo. .................... 5

Figura 3. Sistema central de control de regadío............................................ 5

Figura 4. Arquitectura del sistema de riego basado en IoT ........................... 6

Figura 5. Arquitectura red GSM .................................................................... 7

Figura 6. Arquitectura red GPRS .................................................................. 8

Figura 7. Función del servicio web. ............................................................... 9

Figura 8. Formato de empaquetado JSON. .................................................. 9

Figura 9. Factores que afectan la evapotranspiración ................................ 10

Figura 10. Presión de saturación de vapor en función de la temperatura ... 11

Figura 11. Modelo en V ............................................................................... 15

Figura 12. Diagrama de casos de uso del sistema ..................................... 16

Figura 13. Código para el uso de API “Meteored” ....................................... 17

Figura 14. Insolación global promedio ........................................................ 18

Figura 15. Sensores de humedad a diferentes profundidades y consumo

respectivo de agua…………………………………………………..23

Figura 16. Esquema físico. ......................................................................... 20

Figura 17. Diagrama de Conexiones ........................................................... 21

Figura 18. Librerías de conexión, configuración y empaquetado de datos. 21

Figura 19. Función de empaquetado de datos en formato JSON. .............. 21

Figura 20. Función para el envío de datos .................................................. 22

Figura 21. Diagrama de actividades de la tarjeta Arduino. .......................... 22

Figura 22. Modelo de relaciones entre tablas para la base de datos. ......... 23

Figura 23. Servicio API de recepción de datos (POST). ............................. 24

Figura 24. Diagrama de actividades del servicio API. ................................. 25

Figura 25. Esquema general de funcionamiento ......................................... 26

Figura 26. Ventana de inicio de página web. .............................................. 26

Figura 27. Ventana de gráficas de los sensores. ........................................ 27

Figura 28. Respuestas por parte del servidor ............................................. 27

Figura 29. Velocidad de respuesta por parte del servidor. .......................... 28

Figura 30. Variaciones de humedad para activar el sistema. ...................... 29

Figura 31. Variaciones de temperatura para activar el sistema .................. 29

Figura 32. Variaciones de velocidad de viento para activar el sistema ....... 30

Figura 33. Cantidad de agua para las variables de precipitación,

evapotranspiración y lámina neta para reponer para activar el

sistema……...………………………………………………………...34

Figura 34. Valores para Radiación Extraterrestre 𝑹𝒂 ................................. 35

1

RESUMEN

Dada la problemática que causa el estrés hídrico por déficit de agua en los

cultivos, se desarrolló un sistema de control orientado a la automatización de

las infraestructuras de riego, el cual se enfoca en: encendido de bombas,

apertura y cierre de válvulas para el flujo del agua y estado de sensores.

Mediante un análisis de la evapotranspiración del cultivo y la cantidad de agua

existente en el suelo, se determina el momento idóneo para realizar el riego.

El sistema permite mitigar los desperdicios del recurso hídrico en sembríos

considerablemente extensos.

El microcontrolador envía y recibe datos del servidor a través de la tecnología

GPRS. El servidor es el encargado de realizar los diferentes cálculos de

transpiración y evaporación del agua, e implementar la lógica que permite

decidir si es necesario o no realizar el riego.

El servidor se conecta a la base de datos para realizar las consultas

respectivas que se requieren, para posteriormente ser desplegadas de

manera gráfica en la interfaz web.

El usuario interactúa con el sistema mediante la interfaz web, permitiéndole

tener registros de los valores sensados, observar el estado del cultivo en

tiempo real mediante gráficas, y modificar el modo de activación de los

actuadores, ya sea de forma manual o automática.

En conclusión, se abarcaron cada una de las eventualidades que se pueden

presentar en un entorno real, la manipulación de cada uno de los actuadores

es satisfactoria, al validar los cálculos realizados por un agrónomo, el sistema

puede ser implementado de manera satisfactoria.

Palabras clave:

Evapotranspiración, GPRS, interfaz, actuadores.

2

ABSTRACT

Starting from the problem caused by the constant monitoring of the water

supply in large-area crops, a control system was developed to automate

irrigation infrastructures, which focuses on turning on pumps, opening, and

closing valves for water flow and sensor status.

Through an analysis of crop evapotranspiration and the amount of water in the

soil, it’s decided the ideal time to perform the irrigation. The system allows to

mitigate the waste of the water resource in considerably extensive crops.

The microcontroller sends and receives data from the server through the

GPRS technology of the telecommunications company that is used. The server

oversees carrying out the different transpiration and water evaporation

calculations and implementing the logic that allows to stablish if it is necessary

or not to carry out the irrigation.

The server connects to the database to perform the respective queries that are

required, to be subsequently displayed graphically in the web interface.

The user interacts with the system through the web interface, allowing him to

have records of the sensed values, observe the status of the crop in real time

through graphics, and modify the activation mode of the actuators, either

manually or automatically.

In conclusion, each of the eventualities that can occur in a real environment

were covered, the manipulation of each of the actuators is satisfactory, and by

validating the calculations made by an agronomist, the system can be

implemented in a satisfactory manner.

Keywords:

Evapotranspiration, GPRS, interface, actuators.

1. INTRODUCCIÓN

3

El estrés hídrico de las plantas es producido principalmente por un déficit en

el suministro de agua, lo cual disminuye el desarrollo vegetal, siendo esto una

afección que se evidencia en gran cantidad en el sector agrícola, y más aún,

en épocas del año con déficit de lluvias, zonas de difícil acceso a este recurso

hídrico, e incluso por la mala administración de este recurso natural.

El control del regadío de agua para cada una de las áreas de sembrado,

dependen de: el requerimiento de agua por el tipo de cultivo, la humedad que

presenta el suelo, adecuada división de las tierras agrícolas, la eficiencia de

conducción y distribución del agua; en conjunto ayudan de manera

significativa a una mejor evolución de las siembras. El monitoreo de los

sistemas de suministro de agua resulta una actividad muy elaborada por parte

de los agricultores, ya que requiere una constante vigilancia del correcto

funcionamiento de la infraestructura de riego.

La tecnología denominada Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT),

busca que los objetos del mundo cotidiano tengan conexión a Internet en

cualquier momento y lugar, con una fácil integración en hogares, entornos de

trabajo y lugares públicos. Además, dicha tecnología proporciona la capacidad

de que los objetos sean fuentes de información para un posterior análisis

acorde al ambiente de aplicación. En este caso contribuye al desarrollo de una

agricultura de precisión, al permitir que el agricultor mejore su producción

tomando decisiones en base a la información adquirida.

El sistema de riego basado en IoT, es diseñado con sensores y actuadores

monitoreados a través de dispositivos móviles y PC’s conectados a Internet,

que permitan la adquisición de datos del estado actual del sistema, el

encendido y apagado de aspersores y bombas, la apertura o cierre de

válvulas.

Por lo tanto, el usuario cuenta con la capacidad de interactuar con el sistema

de riego a través de interfaces gráficas (plataforma web y aplicación para

dispositivos móviles Android), visualizadas en dispositivos móviles o PC’s

respectivamente, con acceso a Internet.

Como objetivo general para el desarrollo de este trabajo se planteó: diseñar y

construir un sistema de riego para cultivos controlado desde internet,

mediante una interfaz para dispositivos móviles y PC.

Los objetivos específicos propuestos son:

• Analizar requerimientos teóricos y técnicos del sistema.

• Instalar y configurar un servidor web que permita monitorear el sistema

de riego en tiempo real.

• Diseñar y construir un prototipo físico con sensores simulados y

actuadores.

4

• Diseñar y desarrollar una aplicación para recepción y emisión de señales

de control.

• Validar el sistema de riego acorde a los requerimientos preestablecidos.

1.1. SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE RIEGO

Una de las opciones que ofrece Novedades Agrícolas S.A permite controlar

los cultivos con el uso de sensores, unidades de control y actuadores,

permitiendo recopilar información para ejercer acciones a través de

aplicaciones web, móviles o SMS. La Figura 1 muestra el dispositivo físico,

flexible ante las necesidades y características que requiere el cliente

(Novedades-Agrícolas, 2016).

Figura 1. Unidad de control para sistema automático de riego

(Novedades-Agrícolas, 2016)

La “Telemonitorización y control de un sistema de riego por goteo mediante

bombeo solar” es una solución que consiste en la recopilación de datos,

procesamiento de estos y toma de decisiones. Los tres procesos son

realizados por parte de un microcontrolador centralizado, al mismo tiempo los

datos de los sensores son enviados a un servidor y almacenados en una base

de datos para su posterior visualización en una interfaz web. Las decisiones

son el resultado de la implementación de un control difuso que controla la

apertura y cierre de válvulas, teniendo como entradas para el controlador los

valores sensados de: humedad de ambiente, humedad del suelo, temperatura

y radiación (López Montes, 2017).

Eletronobo S.L, de igual forma presentan varias soluciones de monitoreo y

gestión de los cultivos. Mediante interconexiones de radiocontrol, establecen

una arquitectura que se basa en unidades remotas encargadas de tomar

5

medidas a través de sus sensores para ser enviados a la unidad

concentradora, se interpreta la información en el centro de control y toma

decisiones que son enviadas a las unidades remotas y al servidor. La

arquitectura de funcionamiento se muestra en la Figura 2 (Electronobo, 2013).

Figura 2. Arquitectura del sistema propuesto por Electronobo.

(Electronobo, 2013)

El diseño e implementación de un “Sistema de riego automatizado y

controlado de forma inalámbrica” en una finca ubicada en la ciudad de

Guayaquil, consta de un microcontrolador principal que realiza las

operaciones de control del sistema. Mediante un módulo GSM envía alertas

de actividad del sistema mediante mensajes de texto a uno o varios usuarios

que lo requieran. Por otro lado, carece de un almacenamiento de información

en una base de datos. La Figura 3 muestra el dispositivo físico (Vásconez

Cuzco & Chamba Tenemaza, 2013).

Figura 3. Sistema central de control de regadío

(Vásconez Cuzco & Chamba Tenemaza, 2013)

El siguiente sistema de riego basado en Internet de las Cosas (IoT)

implementa una red de sensores inalámbricos para la obtención de la

6

información de variables agroclimáticas. Gracias a un sistema de Aprendizaje

de Máquina (Machine Learning) se logra una predicción del calendario de

riego empleando servicios de computación en la Nube. El prototipo se muestra

en la Figura 4, y el “Aprendizaje de Máquina” responde a las preguntas de

cuándo y cuánto regar (Castro Silva, 2016).

Figura 4. Arquitectura del sistema de riego basado en IoT

(Castro Silva, 2016)

1.2. COMUNICACIONES MÓVILES

Es el intercambio de información (voz, datos, video, etc.) se establecen

mediante los sistemas de radiocomunicaciones móviles, se aprovechan de la

cualidad inalámbrica de las comunicaciones radioeléctricas para lograr

enlaces de gran alcance, versátiles y flexibles (Rábanos , 2004).

1.2.1. SISTEMA GLOBAL PARA LAS COMUNICACIONES MÓVILES

(GSM)

El servicio GSM (Global System for Mobile Comunications) se basa en la

transferencia por conmutación de circuitos, siendo adecuado para señales de

voz, pero no una alternativa óptima para el envío de datos inalámbricos, esto

no quiere decir que no realice una transferencia de datos; sus características

como la velocidad de transferencia de 9,6 Kps, tiempo de establecimiento de

conexión y sobre todo el pago por tiempo de conexión, resultan factores

negativos que hacen que la red en su gran mayoría sea dedicada para voz

(Sierra Collado , 2007).

Su arquitectura consta de los siguientes componentes (Figura 5):

• Estaciones móviles MS, son los terminales móviles.

• Estaciones base BTS, establece la conexión bidireccional de señales de radio.

• Controlador de estaciones base BTS, gestiona las estaciones de radio y

conecta con los centros de conmutación y bases de datos.

• Centros de conmutación de servicios móviles MSC, conmuta las llamadas.

• Gateway, SMS-GMSC, enlaza la red móvil con la red telefónica básica.

7

• Bases de datos relacionadas con información adicional.

Figura 5. Arquitectura red GSM

1.2.2. SERVICIO GENERAL DE PAQUETES VÍA RADIO (GPRS)

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnología que actualiza los

inconvenientes que tiene GSM para la transmisión de datos, la cual introduce

una red de conmutación de paquetes y funciona de forma paralela a la

conmutación de circuitos que usa GSM. Su infraestructura reutiliza parte de

la actual de GSM es por ello que comparten la misma cobertura, realizando

modificaciones mínimas para lograr transmitir datos a mayor velocidad. El

costo de utilización de la red GPRS es en base a la cantidad de datos

transmitida, mas no por el tiempo de conexión, por otro lado, el canal que esté

transmitiendo datos no podrá ser utilizado para una llamada telefónica (Sierra

Collado , 2007).

En la Figura 6 se muestra una arquitectura similar a la que usa la red GSM,

sin embargo, presenta nuevos elementos como lo son:

• Servicing GPRS Support Node, SGSN, realiza funciones para acceder a la red

Celular.

• Gateway GPRS Support Node, GGSN, realiza funciones para acceder a

Internet.

8

Figura 6. Arquitectura red GPRS

1.3. INTERNET DE LAS COSAS

Internet de las cosas (Iot) se refiere a una tecnología basada en la conexión

de objetos cotidianos a Internet que intercambian, agregan y procesan

información sobre su entorno físico para proporcionar servicios de valor

añadido a usuarios finales. También reconoce eventos o cambios, y tales

sistemas pueden reaccionar de forma autónoma y adecuada. Su finalidad es

brindar una infraestructura que supere la barrera entre los objetos en el mundo

físico y su representación en los sistemas de la información (Barrio, 2018).

La información y las personas están cada vez más conectadas a internet, la

tecnología sirve como herramienta de colaboración y toma de decisiones en

un mundo en el que relaciona lo físico con lo digital. Por la nueva necesidad

de estar permanentemente conectado y localizable, está surgiendo una nueva

generación de consumidores que da por hecho contar con conexión wifi y

cualquier avance técnico que permita la movilidad (Bankinter, 2011).

1.4. SERVICIO WEB

Los cambios permanentes que se presentan en la programación para internet

se deben a las necesidades de los usuarios para que sus navegadores web

puedan acceder a los varios servicios que se encuentran disponibles en la

web.

Los Servicios Web consiste en softwares diseñados para soportar una

interacción interoperable máquina a máquina sobre una red. Los Servicios

Web suelen ser APIs Web que pueden ser accedidas dentro de una red

(principalmente Internet) y son ejecutados en el sistema que los aloja (Navarro

Marset, 2006).

Los servicios web se los utiliza para la comunicación entre cliente y servidor

como se ve representado en la Figura 7, basados en estándares y protocolos

abiertos.

9

Figura 7. Función del servicio web. (Terrera, 2017)

1.4.1. METODOS DE PETICIÓN HTTP

Cada uno de los métodos indica las acciones que el usuario puede realizar,

entre los principales tenemos:

• GET: Permite la recuperación u obtención de datos.

• POST: Envía una entidad a un recurso específico.

• PUT: Reemplaza las representaciones actuales de los recursos.

• DELETE: Elimina un recurso específico.

1.4.2. NOTACIÓN DE OBJETO DE JAVASCRIPT (JSON)

Es un tipo de formato ligero para el intercambio de datos. Las personas

pueden interpretar de forma rápida la información que se está intercambiando.

La Figura 8 muestra la forma más sencilla de un empaquetado JSON

Figura 8. Formato de empaquetado JSON.

1.5. EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET)

La evaporación y la transpiración ocurren simultáneamente, sin poder

diferenciar un proceso de otro. En las primeras etapas del cultivo, el agua se

pierde principalmente por evaporación directa del suelo, pero con el desarrollo

del cultivo y finalmente este cubre totalmente el suelo, la transpiración se

convierte en el proceso principal (Allen, 2006).

10

Los factores que afectan a la evapotranspiración son: variables climáticas,

factores de cultivo, manejo y condiciones ambientales (Figura 9).

Figura 9. Factores que afectan la evapotranspiración

(Allen, 2006)

1.5.1. VARIABLES CLIMÁTICAS

Como parámetros principales se tiene la radiación, la temperatura del aire, la

humedad atmosférica y la velocidad del viento. Los procedimientos para

determinar estos parámetros son varios, ya sea instalando sensores en la

zona o recopilando información de páginas climatológicas.

1.5.2. FACTORES DE CULTIVO

Se refiere a características del cultivo como su altura, resistencia a la

transpiración, propiedades radiculares, el reflejo y la cobertura del suelo

intervienen en el cálculo de ET.

1.5.3. MANEJO Y CONDICIONES AMBIENTALES

Dentro del manejo se encuentran las prácticas locales de cultivo, método de

riego, infraestructuras en caso de huertos y la densidad del cultivo. Las

condiciones ambientales principalmente el tipo de suelo, su fertilidad, el

contenido de agua que retiene el suelo hacen que la absorción de agua se

vea afectada por estas.

1.5.4. EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA

Estudia la demanda de evapotranspiración de la atmósfera,

independientemente del tipo y desarrollo del cultivo, y de las prácticas de

manejo. Para su cálculo en periodos horarios o más cortos se requiere la

fórmula de Pennman-Monteith con ciertas modificaciones:

𝐸𝑇𝑜 =0.408 ∗ 𝛥(𝑅𝑛 − 𝐺) + [𝛾

37𝑇ℎ𝑟 + 273 ∗ 𝑈2 ∗ (𝑒°(𝑇ℎ𝑟) − 𝑒𝑎)]

𝛥 + [𝛾 ∗ (1 + 0.34 ∗ 𝑈2)]

[1]

11

Donde:

𝐸𝑇𝑜: Evapotranspiración de referencia. (mm/hora)

𝛥: Pendiente de la curva de presión de vapor. (KPa/°C)

𝑅𝑛: Radiación neta en la superficie de cultivo. (MJ/m2hora)

𝛾: Constante psicométrica. (KPa/°C)

𝑇ℎ𝑟: Temperatura media del aire cada hora. (°C)

𝑈2: Velocidad del viento medido a 2 metros de altura. (m/s)

𝑒𝑎: Presión real de vapor. (KPa)

𝑒°(𝑇ℎ𝑟): Presión de saturación de vapor a temperatura del aire 𝑇ℎ𝑟. (KPa)

1.5.5. PENDIENTE DE LA CURVA DE PRESIÓN DE SATURACIÓN DE

VAPOR

En la Figura 10 se indica la presión de saturación de vapor en función de la

temperatura.

Figura 10. Presión de saturación de vapor en función de la temperatura

(Allen, 2006)

Se calcula la pendiente de la curva para una determinada temperatura con la

siguiente fórmula:

𝛥 =4098 ∗ [0.6108 ∗ exp(

17.27 ∗ 𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟 + 237.3)]

(𝑇ℎ𝑟 + 237.3)2

[2]

Donde:

𝛥: Pendiente de la curva de la presión de saturación de vapor a la

temperatura del aire 𝑇. (KPa/°C)

𝑇ℎ𝑟: Temperatura del aire cada hora. (°C)

𝑒𝑥𝑝: 2.7183 (base del logaritmo natural)

1.5.6. FLUJO DEL CALOR DEL SUELO

“La capacidad calorífica (𝐺) del suelo se relaciona con su contenido mineral

y su contenido de agua” (Allen, 2006). El valor horario de 𝐺 se puede

aproximar durante periodos de luz por:

12

𝐺 = 0.1 ∗ 𝑅𝑛 [3]

Y durante periodos nocturnos:

𝐺 = 0.5 ∗ 𝑅𝑛 [4]

Donde:

𝑅𝑛: Radiación neta. (MJ/m2hora)

1.5.7. RADIACIÓN NETA SOLAR O DE ONDA CORTA

Es el resultado entre la radiación solar entrante y la reflejada y está dada por:

𝑅𝑛𝑠 = (1 − 𝛼)𝑅𝑠 [5]

Donde:

𝑅𝑛𝑠: Radiación neta solar o de onda corta. (MJ/m2hora)

𝛼: Albedo o coeficiente de reflexión del cultivo, que es 0.23 para el cultivo

hipotético de referencia. (adimensional)

𝑅𝑠: Radiación solar entrante. (MJ/m2hora)

1.5.8. RADIACIÓN SOLAR EN UN DÍA DESPEJADO

Se necesita este cálculo para obtener el valor de la radiación neta de onda

larga, siendo una buena aproximación de 𝑅𝑠𝑜 para periodos diarios y horarios

está dada por:

𝑅𝑠𝑜 = (0.75 + 2 ∗ 10−5 ∗ 𝑧)𝑅𝑎 [6]

Donde:

𝑧: Elevación de la estación. (m)

𝑅𝑎: Radiación extraterrestre. (MJ/m2hora)

La ecuación es válida para elevaciones menores de 6000 m con baja turbidez

atmosférica.

La radiación extraterrestre 𝑅𝑎 es la radiación que choca a una superficie

perpendicular a los rayos del sol en el extremo superior de la atmósfera

terrestre, se llama constante solar, sus valores se encuentran en el Anexo 1.

(Allen, 2006)

1.5.9. RADIACIÓN NETA DE ONDA LARGA

La tierra que tiene una temperatura mucho más baja que la del sol, emite

energía radiante con longitudes de onda más larga. La radiación de onda larga

emitida por el planeta es absorbida por la atmósfera o perdida hacia el

espacio. La radiación de onda larga recibida por la atmósfera aumenta su

temperatura. Por consiguiente, la atmósfera también irradia energía, teniendo

13

como resultado una radiación de onda larga entrante y saliente. La radiación

neta de onda larga se describe como la diferencia entre la radiación de onda

larga entrante y saliente, representando una pérdida de energía. (Howell,

Evett, Schneider, Todd, & Tolk, 1998)

𝑅𝑛𝑙 = 𝜎[(𝑇ℎ𝑟 , °𝐾)4](0.34 − 0.14√𝑒𝑎)(1.35

𝑅𝑠𝑅𝑠𝑜

− 0.35) [7]

Donde:

𝑅𝑛𝑙: Radiación neta de onda larga. (MJ/m2hora)

𝜎: Constante de Stefan-Boltzmann. (2.043*10-10 MJ/°K4m2hora)

𝑇ℎ𝑟 , °𝐾: Temperatura medida durante un período de 1 hora.

𝑒𝑎: Promedio horario de la presión real de vapor. (KPa)

𝑅𝑠/𝑅𝑠𝑜: Radiación relativa de onda corta. (valores ≤ 1)

𝑅𝑠: Radiación solar medida. (MJ/m2hora)

𝑅𝑠𝑜: Radiación en un día despejado. (MJ/m2hora)

1.5.10. RADIACIÓN NETA

Es la diferencia entre la radiación neta de onda larga (𝑅𝑛𝑠) y la radiación neta

de onda larga (𝑅𝑛𝑙):

𝑅𝑛 = 𝑅𝑛𝑠 − 𝑅𝑛𝑙 [8]

1.5.11. PRESIÓN DE SATURACIÓN DE VAPOR A TEMPERATURA

DEL AIRE

Representa el equilibrio de presión de un líquido o vapor a cierta temperatura

[°C], en este caso se utiliza la temperatura medida y es calculada mediante la

siguiente fórmula:

𝑒°(𝑇ℎ𝑟) = 0.6108 ∗ exp[17.27 ∗ 𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟 + 237.3

] [9]

Donde:

𝑇ℎ𝑟: Temperatura medida durante un período de 1 hora.

exp: 2.7183 base logaritmo natural elevado a la potencia.

1.5.12. PRESIÓN REAL DE VAPOR

Es la presión de saturación de vapor a la temperatura medida y con datos de

humedad relativa.

𝑒𝑎 = 𝑒°(𝑇ℎ𝑟)𝐻𝑅ℎ𝑟100

[10]

Donde:

𝑇ℎ𝑟: Temperatura medida durante un período de 1 hora.

1.6. EVAPOTRANSPIRACIÓN DEL CULTIVO

14

El valor de evapotranspiración de un respectivo cultivo se lo determina a

partir de la siguiente fórmula:

𝐸𝑇𝐶 = 𝐸𝑇𝑜 ∗ 𝑘𝑐 [11]

Donde:

𝐸𝑇𝐶: Evapotranspiración del cultivo. (mm/hora)

𝐸𝑇𝑜: Evapotranspiración de referencia. (mm/hora)

𝑘𝑐: Factor de cultivo que depende de las características del cultivo, clima y

prácticas culturales. Para el cacao se ha determinado un factor de 1.10.

(Reyes & de Reyes, 2000)

1.7. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO ÚTIL

Es la cantidad de agua que se debe reponer para mantener una humedad

óptima.

(𝐿𝑟)𝑛 = (𝑊𝑐𝑐 −𝑊𝑝𝑚𝑝)/100 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑍′𝑟 ∗ 𝐶𝑎 [12]

Donde:

𝑊𝑐𝑐: Contenido de humedad en el suelo (valor sensado % de humedad).

𝑊𝑝𝑚𝑝: Contenido de humedad en el suelo al punto de marchitez permanente

(%).

𝐷𝑎: Densidad aparente del suelo (adimensional, por estar dividida entre la

densidad del agua).

𝑍′𝑟: Profundidad radical equivalente (mm).

𝐶𝑎: Coeficiente de agotamiento del agua aprovechable en el suelo (0.5).

2. METODOLOGÍA

15

El sistema fue desarrollado con base en la metodología del modelo en V para

sistemas mecatrónicos (Verein Deutscher Ingenieure, 2004), que comprende

de 6 etapas para obtener el producto final (Figura 12).

Figura 11. Modelo en V (Verein Deutscher Ingenieure, 2004)

Los requerimientos se los estableció para un cultivo de cacao en la ciudad de

Babahoyo. Los parámetros necesarios para el cacao fueron sugeridos por un

agrónomo.

Después de la solución presentada ante la problemática y que además cumpla

con el objetivo planteado, se procede al diseño del sistema que consta de un

dispositivo encargado de enviar los valores sensados a un servidor; en el

servidor se desarrolló una aplicación que permita captar, almacenar y

procesar dichos valores para el accionamiento de los actuadores.

Una vez integrado los subsistemas, un prototipo nos permite la validación

respecto al accionamiento de los actuadores.

2.1. REQUERIMIENTOS

Como requerimiento principal está el simular el entorno, debido a que no se

cuenta con un cultivo real donde se pueda implementar el sistema. Para el

entorno simulado se estableció el tipo de sembrío, en este caso el cacao en

la ciudad de Babahoyo porque es donde va a ser instalado en primera

instancia.

Una base de datos para almacenar la información recopilada, con sus

respectivas relaciones para una interacción más dinámica con la misma.

1

2

3

4

5

6

16

La configuración del servidor debe permitir conectarse con la base de datos y

con la tarjeta de control. Dentro del servidor es donde se ejecuta la lógica de

control y la toma de decisiones. La conexión entre el servidor y la tarjeta de

control debe ser inalámbrica para un monitoreo remoto.

Una interfaz web para que el usuario mediante un navegador de internet

pueda acceder a la página web desde una PC o un dispositivo móvil.

La interfaz debe brindar la visualización del estado del sistema de riego, los

valores en tiempo real de cada uno de los sensores, así como también la

posibilidad de cambiar el modo de activación de los actuadores, ya sea de

forma automática o manual.

2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA

El sistema se basa en la tecnología de IoT (Internet of things), es por ello que

cuenta con un servicio en la nube, configurado para realizar los cálculos de

evapotranspiración, aplicar la lógica de riego y finalmente tomar decisiones de

accionamiento sobre los actuadores.

El desarrollo de una interfaz web permite que el usuario pueda interactuar con

el sistema, a través de cualquier dispositivo móvil mediante un navegador.

Para la comunicación inalámbrica con el servidor se requiere del uso de las

redes de telecomunicación de las operadoras de celular.

Figura 12. Diagrama de casos de uso del sistema

La Figura 12 indica las funciones que puede realizar el usuario en el sistema;

el usuario es quien debe ingresar sus datos para ser identificado y tener

acceso a las funciones.

17

2.3. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA

2.3.1. DISEÑO DEL ENTORNO SIMULADO

Se propuso generar valores aleatorios que representen los valores de los

sensores; dichos valores se encuentran dentro de un rango adecuado para el

tipo de cultivo y el lugar de estudio.

Los datos que se requiere simular son los siguientes: radiación solar,

velocidad de viento y humedad de suelo. La humedad relativa y

precipitaciones se extraen en tiempo real de un aplicativo web climático.

2.3.1.1. HEMUDAD RELATIVA Y PRECIPITACIONES

Por medio del uso de un servicio API que ofrece la página web “Meteored”,

permite tener acceso a los datos de humedad relativa y precipitaciones para

la ciudad de Babahoyo, en tiempo real.

La ruta proporcionada envía un fichero en formato JSON con predicciones a

5 días e información detallada por horas.

Figura 13. Código para el uso de API “Meteored”

La Figura 13 indica la ruta de acceso a la información climática de la página

web que se ha optado por utilizar.

2.3.1.2. RADIACIÓN SOLAR

Los valores aleatorios para la radiación solar en la ciudad de Babahoyo se los

estableció con base en un atlas solar del Ecuador (Figura 14). La radiación es

expresada en Wh/m2, para efectos de cálculo se requiere MJ/m2, teniendo

como factor de conversión la Ecuación [13] (Consejo Nacional de Electricidad,

2008).

1𝑀𝐽/𝑚2 = 0.2778𝑊ℎ/𝑚2 [13]

Los valores varían entre 15.38 y 15.83 MJ/m2día.

18

Figura 14. Insolación global promedio (Consejo Nacional de Electricidad, 2008)

2.3.1.3. VELOCIDAD DE VIENTO

Para realizar los cálculos es necesario que el valor de la velocidad de viento

sea registrado a una altura de 2m sobre el suelo; se estableció un rango de 1

a 5 m/s, tomando en cuenta que el propio cultivo frena las corrientes de viento.

2.3.1.4. HUMEDAD DEL SUELO

Deben existir 3 sensores de humedad instalados a 3 diferentes profundidades,

porque el consumo de agua es diferente a distintas profundidades respecto a

la raíz del cacao. Para la parte superficial se registra un consumo de agua de

un 60%, a una altura media la planta consume el 30% de agua, llegando a la

profundidad radical absoluta de la planta la raíz absorbe un 10% de agua

(Figura 16).

Tabla 1. Valores mínimos y máximos de humedad en el suelo para cada nivel de profundidad

NIVEL DE SENSOR VALOR MIN (%) VALOR MAX (%)

Superficial 10 40

Profundidad Media 10 30

Profundidad total 10 20

19

Figura 15. Sensores de humedad a diferentes profundidades y consumo respectivo de agua.

La humedad existente en el suelo se la calcula mediante la siguiente ecuación:

ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑𝑑𝑒𝑙𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜

= (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑1) ∗ (0.6) + (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑2) ∗ (0.3) + (ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑3)

∗ (0.1)

[14]

2.3.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO FÍSICO

El prototipo físico consta de una bomba de agua, una electroválvula, un

microcontrolador (Arduino DUE), tarjeta SIM800 para Arduino, 2 relés para el

accionamiento de los actuadores y la fuente de alimentación 12V a 2A (Figura

16).

20

Figura 16. Esquema físico.

Se construyó una maqueta representativa a un regadío, con tubería recubierta

de teflón en las uniones ante posibles fugas de agua; la bomba de agua y la

electroválvula son accionadas mediante el relé y posteriormente el

funcionamiento del aspersor.

Se instaló un pequeño tablero de control igualmente representativo, fijando un

riel din con borneras para la distribución de energía, tanto 110VAC como 12

VDC. La fuente de alimentación proporciona la alimentación de la tarjeta

SIM800, el Arduino DUE y la electroválvula.

2.3.3. DISEÑO ELÉCTRICO Y DE CONTROL DEL PROTOTIPO

La placa SIM 800 admite una entrada de voltaje de 5-26 VDC, el datasheet en

el Anexo 4 de la placa, indica que no se debe proporcionar una corriente

menor de 2A cuando la tensión es de 5-9 VDC. La fuente con una salida de 12

VDC a 2A, abastece el consumo eléctrico de forma satisfactoria a las placas

de control (Arduino y SIM 800) y la electroválvula (Figura 17).

Aspersor

Bomba

Electroválvula

Fuente de Alimentación

Módulo Rele

Arduino/SIM800

21

Figura 17. Diagrama de Conexiones

El módulo de 2 relés de estado sólido es alimentado por la placa Arduino, la

activación de cada relé responde ante la señal digital de la tarjeta de control.

La bomba se alimenta a 110 VAC, y es accionada por uno de los relés de

estado sólido.

Las librerías permiten una rápida configuración de la placa Arduino y la

SIM800 para el envío de los datos al servidor. La librería “ArduinoJson”

permite que los datos sean empaquetados en formato JSON, ya que el

servidor admite este formato como se indica en la Figura 18.

La Figura 19 muestra la codificación para empaquetar los datos.

Figura 18. Librerías de conexión, configuración y empaquetado de datos.

Figura 19. Función de empaquetado de datos en formato JSON.

22

La librería “TinyGsmClient” permite establecer la ruta del servicio API

levantado en el servidor como se muestra en la Figura 20, seguido del tipo de

formato en el que se envían los datos y finalmente esperar una respuesta por

parte del servidor.

Figura 20. Función para el envío de datos

La Figura 21 muestra las actividades que ejecuta la tarjeta Arduino.

Interactuando con el servidor, finalmente permite la activación o desactivación

de los actuadores en el prototipo físico.

Figura 21. Diagrama de actividades de la tarjeta Arduino.

23

2.3.4. DISEÑO DE LA BASE DE DATOS

Para poder trabajar de forma más dinámica con los datos, se establecieron

las diferentes relaciones que deben existir entre las tablas, cada una de las

relaciones son creadas con base en una lógica de funcionamiento (Figura 22).

La base de datos puede llevar registros de varios cultivos; las provincias

representan distintas ubicaciones para ser monitoreadas. Para cada provincia

tiene una extensión de terreno cultivado donde existe un sistema centralizado

de abastecimiento de agua (bombas de agua), el terreno es lotizado por

sectores para una mejor distribución de este, cada sector cuenta con cierto

número de electroválvulas. Estas interrelaciones planteadas permiten la

interacción más flexible con respecto a la provincia y sector al que se necesite

realizar algún tipo de consulta, tanto desde el servidor como desde la placa

Arduino.

Figura 22. Modelo de relaciones entre tablas para la base de datos.

2.3.5. DISEÑO DEL APLICATIVO WEB

Para la configuración de la nube se levantó un servicio LAMP, es decir: Linux,

Apache, MySql y PhP. La utilización de “SlimFramewor” permitió de manera

sencilla la implementación de un servicio API, para decodificar el

empaquetado JSON de los datos. Dentro de la API se codifican los métodos

de petición POST y GET (Figura 24).

24

Figura 23. Servicio API de recepción de datos (POST).

Dentro del servicio API se ingresan las ecuaciones descritas en el capítulo 2

y en el orden redactado, para obtener valores que representan la

evapotranspiración del cultivo y el contenido de agua en el suelo. La

implementación de la lógica consiste en mantener un equilibrio del recurso

hídrico, evitando el estrés de la planta.

Se tomó en cuenta las precipitaciones existentes en la zona, ya que para

lograr el equilibrio hídrico es indispensable considerar este factor. La lógica se

muestra en la siguiente expresión.

(𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 − 𝐸𝑇𝐶) ∗ (−1) > 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 + (𝐿𝑟)𝑛 [15]

Donde:

𝐸𝑇𝐶 : Evapotranspiración del cultivo (mm/hora).

(𝐿𝑟)𝑛 : Lámina neta a reponer en cada riego (mm/hora).

De ser verdadera la expresión se deduce que existe un déficit de agua para

el cultivo, y necesita ser regado.

Las ventanas de visualización son estructuradas en HTML5, y su apariencia

estética es mejorada con CSS. Consta de una ventana de inicio para que el

usuario, 2 ventanas de ingreso y registro de usuarios, 1 ventana de contacto.

Al ingresar con el usuario y contraseña se puede navegar dentro de 3

ventanas más: la primera ventana muestra registros de valores de los

sensores, la segunda de manera más intuitiva con el usuario muestra gráficas

para una mejor apreciación de las variaciones que presentan las mediciones,

la última ventana permite al usuario modificar el modo de activación de los

actuadores (manual o automático).

25

Figura 24. Diagrama de actividades del servicio API.

La Figura 24 indica cada una de las actividades que cumple el servicio API,

siendo como objetivo final la activación y desactivación de los actuadores

tanto para el modo manual como para el automático.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

26

De forma conjunta, tanto el hardware como el software (Figura 25), funcionan

de manera correcta; las tarjetas de control (Arduino y SIM800) reciben y

envían satisfactoriamente los datos desde y hacia el servidor,

respectivamente; el servidor decodifica y procesa los datos captados sin

presentar inconvenientes. La base de datos almacena los valores sensados y

actualiza el estado del sistema (automático o manual) y estado de actuadores

(activados o desactivados).

Figura 25. Esquema general de funcionamiento

Una vez completado el diseño del sistema, se procedió al montaje de la página

web con sus respectivas ventanas, con la distribución establecida. Para el

inicio se codificó una ventana con información sobre el proyecto (Figura 26).

La pestaña superior de navegación es similar para el resto de las ventanas

(Figura 27).

Figura 26. Ventana de inicio de página web.

27

Figura 27. Ventana de gráficas de los sensores.

Dentro del marco de funcionamiento del sistema, se requiere analizar los

momentos de activación de este, porque son los eventos críticos en los cuales

el cultivo sufre un déficit del recurso hídrico. Los rangos registrados para cada

uno de los sensores permiten la activación de los actuadores, es decir, se

produce el riego en el cultivo.

3.1. PRUEBAS DE CONEXIÓN

Al enviar los datos desde la placa Arduino tenemos como respuesta “sensor

agregado” por parte del servidor, es decir, que los datos han sido recibidos y

almacenados en la base de datos de manera satisfactoria.

Figura 28. Respuestas por parte del servidor

Mediante la comunicación serial entre la placa Arduino DUE y la PC, se logró

constatar las respuestas por parte del servidor. El código de estado “200”

(Figura 28), es una respuesta del servidor http ante una petición estándar

correcta.

28

3.1.1. TIEMPO DE RETRASO

De manera experimental los intervalos de tiempo se establecieron cada 15

minutos, para registrar los valores de cada uno de los sensores simulados.

Por otra parte, se registraron los tiempos de respuesta del servidor ante las

peticiones del sistema.

Figura 29. Velocidad de respuesta por parte del servidor.

Al servidor se realizan 2 tipos de peticiones: POST y GET, que nos permiten

insertar datos y obtener datos, respectivamente. Se nota que al insertar datos

el tiempo de respuesta por parte del servidor es mayor en comparación

cuando se requiere obtenerlos, porque seguido de la petición POST, el

servidor realiza los cálculos respectivos, los valores son ingresados a la base

de datos y finalmente se obtiene la respuesta del servidor. Por otro lado, la

petición GET obtiene directamente los valores de la base de datos, y los envía

como respuesta (Figura 29).

Los valores promedios de los métodos POST y GET son: 651.03 ms y 99.64

ms respectivamente; el tiempo de respuesta por parte de los dos métodos no

afectan al correcto funcionamiento del sistema, porque dichos tiempos son

relativamente rápidos para la velocidad de respuesta que requiere el sistema.

3.2. ACTIVACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

Como se muestra en la Figura 28, el primer objeto de respuesta se obtiene

mediante una petición tipo GET y hace referencia al modo de activación, que

en este caso es igual a 0 (modo automático), el segundo objeto de respuesta

muestra que el sensor ha sido agregado correctamente con el método POST,

e indica la activación de los actuadores (1=encender, 0=apagar).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Tiem

po

de

resp

ues

ta (

ms)

Instante de muestreo K

POST

GET

29

Se registraron 328 muestras con intervalos de 15 minutos, de los cuales 95

muestras permiten que el sistema realice el riego. El análisis se enfoca en los

instantes de riego que activan el sistema porque son los momentos en que el

cultivo presenta el déficit de agua, siendo el punto de interés. Las gráficas

siguientes, muestran los rangos de variación de los sensores para que el

sistema sea activado.

Figura 30. Variaciones de humedad para activar el sistema.

Con base en las variaciones de humedad que se ven reflejadas en la Figura

30, notamos que el sistema requiere ser activado para valores inferiores a

21.146% de humedad en el suelo. Este valor es calculado con la Ecuación

[14].

Figura 31. Variaciones de temperatura para activar el sistema

En el capítulo anterior se estableció el rango de simulación para los valores

de temperatura. Se analiza que incluso ante valores bajos de temperatura la

21,146

12,052

0

5

10

15

20

25

1 5 9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

53

57

61

65

69

73

77

81

85

89

93

Hu

med

ad (

%)

Instante de muestreo K

Humedaddel Suelo(%)Humedadmax

Humedadmin

29,97 29,97

17,03

0

5

10

15

20

25

30

35

1 5 9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

53

57

61

65

69

73

77

81

85

89

93

Tem

per

atu

ra C

°

Instante de muestreo K

Temperatura(C°)

Temperaturamax

Temperaturamin

30

planta requiere ser regada, abarcando todo el rango de temperatura

establecido (Figura 31).

Figura 32. Variaciones de velocidad de viento para activar el sistema

La velocidad de viento adquiere el mismo comportamiento que la temperatura,

reflejando valores a lo largo del rango establecido en el capítulo anterior

(Figura 32).

Figura 33. Cantidad de agua para las variables de precipitación, evapotranspiración y lámina neta para reponer para activar el sistema.

La cantidad de agua se mide por la altura de la lámina de agua recogida en

una superficie plana, expresada en mm o L/m2 (1 milímetro de agua de lluvia

equivale a 1 L de agua por m²). (Allen, 2006)

En la Figura 33 se puede determinar la relación que existe entre las principales

variables que intervienen en la Ecuación [15]. La cantidad de lluvias que se

presenta es escasa, teniendo como máximo un valor 4,5 mm, produciendo un

déficit de agua en el cultivo. La capacidad de almacenamiento útil en el suelo

4,95

1

0

1

2

3

4

5

6

1 5 9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

53

57

61

65

69

73

77

81

85

89

93

Vel

oci

dad

(m

/s)

Instantes de muestreo K

VelocidadViento (m/s)

Velocidad deViento max

Velocidad deViento min

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93

Can

tid

ad d

e ag

ua

(mm

)

Instantes de muestreo K

Precipitacion (mm)

Evapotranspiracion(mm)

Capacidad dealmacenamiento útil(mm)

31

presenta valores negativos porque la humedad en el suelo es menor al

contenido de humedad en el suelo al punto de marchitez. La

evapotranspiración depende de las variables meteorológicas y consumo de la

planta, teniendo valores relativamente por encima de las precipitaciones. Se

observa como la evapotranspiración aumenta a medida que incrementa la

precipitación, ya que al existir un mínimo aumento en la cantidad de agua, la

planta tiene más agua para consumir.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

32

CONCLUSIONES

• El uso de “SlimFramework” para la implementación de la API en el servidor,

agilita la codificación necesaria para que el sistema, porque nos

proporciona una estructura completa, donde nosotros podemos encajar

nuestra lógica.

• El diseño de la base de datos es adaptable ante un sistema particular de

registro de: provincias, sectores, bombas y electroválvulas; gráficamente

en el aplicativo web, no existe inconvenientes ante la cantidad de cultivos

que requiere un estudio o en el número de electroválvulas que se desee

controlar.

• El cálculo de evapotranspiración incluye factores climáticos, permitiendo

un análisis más exacto del estado del cultivo. Cada cultivo tiene constantes

que se toman en cuenta para este tipo de cálculo, por lo que el sistema se

acopla a los requerimientos de cualquier cultivo.

• Por las pruebas realizadas con los datos que genera el entorno simulado,

se determinó que el sistema puede ser incorporado a cualquier ambiente

y cultivo que se desee controlar mediante sensores físicos que remplacen

los valores randómicos.

• La interfaz gráfica dentro del aplicativo web se lo diseñó de manera que el

usuario pueda tener acceso a los datos de cada uno de los sensores,

interpretar de manera gráfica las fluctuaciones que presentan y finalmente

una manipulación directa con los actuadores que están instalados.

RECOMENDACIONES

• Previo a la instalación del sistema, establecer el cultivo en específico, ya

que los parámetros de cada sembrío son diferentes.

• El trabajar con un mayor número de sensores de humedad en el suelo,

expresan con mayor exactitud los valores del contenido de humedad en el

suelo.

• Mantener un constante monitoreo de consumo de datos en el chip de la

operadora telefónica, a pesar de su bajo consumo.

• Se puede complementar con sistemas de registro de nuevos cultivos,

incorporar visión artificial para el estudio de la pigmentación de los cultivos.

33

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ANEXOS

35

ANEXO 1

RADIACIÓN EXTRATERRESTRE

Radiación extraterrestre diaria para diferentes latitudes para el 15vo del mes.

Figura 34. Valores para Radiación Extraterrestre 𝑅𝑎 (valores en MJ/m2día)

ANEXO 2

VELOCIDAD DE CONEXIÓN

La velocidad de conexión es medida en milisegundos

Tabla 2. Velocidad de respuesta ante una petición POST y GET

Velocidad de respuesta ante peticiones (ms)

N° POST GET

1 520,5 84,7

2 516,3 82,5

3 714,6 87,4

4 591,5 83,1

5 557,4 87,4

6 770,7 90,1

7 720,9 82,6

8 686,8 82,4

9 623,5 84,7

10 505,5 183,2

11 717,2 86,3

12 709,5 113,2

13 500,3 86,6

14 492,3 82,2

15 687 97,6

36

16 504,5 95,2

17 528,1 88,3

18 681,9 81,5

19 645,8 102,6

20 476,6 94,9

21 1236,7 94,4

22 511,6 81,3

23 481,3 84,3

24 573,1 93,1

25 698,2 110,6

26 489,7 114,7

27 595,8 268,3

28 772,9 89,2

29 1364,4 93

30 656,3 83,9

ANEXO 3

VALORES DE LOS SENSORES PARA LA ACTIVACIÓN DEL

SISTEMA

Los valores de la tabla son únicamente para activar el sistema

37

Tabla 3. Valores de sensores para activación de sistema

N° Fecha Humedad 1 (%) Humedad

2 (%) Humedad

3 (%)

Humedad del Suelo

(%) Temperatura

(C°)

Velocidad Viento (m/s)

Diámetro de Tallo

(mm)

Radiación Solar

(MJ/m^2hora)

Humedad Relativa

(%) Precipitación

(mm) Estado Sistema

Evapotranspiración (mm)

Capacidad de almacenamiento

útil (mm)

1 2019-01-13 22:07:53 14,23 24,02 17,04 17,448 19,36 2,5 38,35 15,53 87 0 1 1,33696 -3,0624

2 2019-01-13 22:08:38 24,19 15,75 16,88 20,927 29,97 1,2 38,78 15,44 87 0 1 1,79754 1,1124

3 2019-01-13 22:09:55 11,42 15,96 12,08 12,848 26,71 4,68 38,76 15,65 87 0 1 1,40517 -8,5824

4 2019-01-13 22:10:16 18,53 22,39 14,49 19,284 22,84 4,11 38,74 15,54 87 0 1 1,30865 -0,8592

5 2019-01-13 22:10:38 19,54 21,39 19,83 20,124 20,83 1,84 38,15 15,74 87 0 1 1,48019 0,1488

6 2019-01-13 22:10:50 10,88 25,34 16,51 15,781 28,22 3,13 38,89 15,53 87 0 1 1,5685 -5,0628

7 2019-01-13 22:11:13 18,88 14,22 12,79 16,873 23,82 4,4 38,66 15,49 87 0 1 1,31508 -3,7524

8 2019-01-13 22:11:36 18,99 21,85 12,71 19,22 22,17 4,92 38,32 15,66 87 0 1 1,23217 -0,936

9 2019-01-13 22:11:47 21,31 22,45 11,84 20,705 23,86 3,35 38,02 15,47 87 0 1 1,40219 0,846

10 2019-01-13 22:11:59 18,5 25,77 11,87 20,018 20,95 3,92 38,78 15,8 87 0 1 1,27939 0,0216

11 2019-01-13 22:12:10 12,87 16,19 15,15 14,094 23,87 1,57 38,53 15,66 87 0 1 1,60393 -7,0872

12 2019-01-13 22:12:45 14,83 21,44 15,91 16,921 23 2,42 38,53 15,58 87 0 1 1,47333 -3,6948

13 2019-01-13 22:12:57 19,02 11,89 11,45 16,124 21,19 3,9 38,44 15,72 87 0 1 1,28327 -4,6512

14 2019-01-13 22:13:08 23,42 17,6 16,97 21,029 28 2,77 38,25 15,51 87 0 1 1,59202 1,2348

15 2019-01-13 22:13:43 13,26 28,45 12,82 17,773 21,34 1,66 38,36 15,63 87 0 1 1,50861 -2,6724

16 2019-01-13 22:14:05 18,79 11,82 17,07 16,527 23,39 2,56 38,23 15,56 87 0 1 1,46997 -4,1676

17 2019-01-13 22:14:18 13,35 20,97 17,53 16,054 28,08 3,69 38,34 15,53 87 0 1 1,51664 -4,7352

18 2019-01-13 22:14:30 11,2 19,06 12,14 13,652 19,8 3,7 38,79 15,7 87 0 1 1,25011 -7,6176

19 2019-01-13 22:14:53 18,75 27,23 10,57 20,476 18,11 3,18 38,61 15,75 87 0 1 1,24181 0,5712

20 2019-01-13 22:15:28 22,78 13,11 10,09 18,61 25,13 3,37 38,17 15,81 87 0 1 1,4733 -1,668

21 2019-01-13 22:16:04 19,7 26,45 13,91 21,146 26,9 2,74 38,64 15,65 87 0 1 1,57439 1,3752

22 2019-01-13 22:17:06 15,47 11,69 19,76 14,765 28,52 1,33 38,04 15,51 87 0 1 1,75255 -6,282

23 2019-01-13 22:17:54 20,48 20,38 19,06 20,308 26,13 3,92 38,91 15,67 87 0 1 1,44687 0,3696

24 2019-01-13 22:18:28 14,24 25,47 14,83 17,668 21,18 1,47 38,9 15,61 87 0 1 1,52489 -2,7984

25 2019-01-13 22:18:39 15,64 28,95 15,41 19,61 18,77 2,17 38,32 15,53 87 0 1 1,35262 -0,468

26 2019-01-13 22:19:14 12,8 15,8 13,68 13,788 26,58 3,7 38,96 15,64 87 0 1 1,47736 -7,4544

27 2019-01-13 22:19:25 19,43 22,66 18,38 20,294 20,73 4,31 38,52 15,57 87 0 1 1,22178 0,3528

28 2019-01-13 22:20:35 15,65 12,87 12,99 14,55 28,24 4,16 38,49 15,63 87 0 1 1,49365 -6,54

29 2019-01-13 22:20:46 14,53 25,23 18,58 18,145 21,53 3,02 38,55 15,72 87 0 1 1,37535 -2,226

30 2019-01-13 22:20:58 11,06 22,87 13,57 14,854 17,03 3,82 38,84 15,5 87 0 1 1,12725 -6,1752

31 2019-01-13 22:21:21 10,97 28,75 12,41 16,448 24,18 2,8 38,76 15,73 87 0 1 1,48786 -4,2624

32 2019-01-13 22:21:32 16,33 23,54 11,94 18,054 17,55 2,7 38,92 15,55 87 0 1 1,25425 -2,3352

33 2019-01-13 22:22:18 19,24 13,84 11,06 16,802 20,79 4,73 38,07 15,39 87 0 1 1,1782 -3,8376

34 2019-01-13 22:22:41 15,17 22,92 18,98 17,876 20,48 1,57 38,53 15,38 87 0 1 1,46769 -2,5488

35 2019-01-13 22:23:28 20,86 20,35 10,16 19,637 18,45 4,65 38,27 15,54 87 0 1 1,11355 -0,4356

36 2019-01-13 22:23:40 11,34 16 15,79 13,183 23,02 4,59 38,51 15,78 87 0 1 1,29604 -8,1804

37 2019-01-13 22:24:36 19,78 15,47 13,46 17,855 24,35 1,64 38,47 15,5 87 0 1 1,59456 -2,574

38

38 2019-01-13 22:24:48 11,09 18,95 12,27 13,566 18,02 3,21 38,13 15,78 87 0 1 1,238 -7,7208

39 2019-01-13 22:25:36 20,8 17,51 19,32 19,665 21,73 2,39 38,19 15,63 87 0 1 1,43856 -0,402

40 2019-01-13 22:26:23 11,34 22,35 10,85 14,594 29,77 1,3 38,81 15,72 87 0 1 1,81342 -6,4872

41 2019-01-13 22:26:35 18,23 20,92 13,62 18,576 27,83 4,38 38,88 15,41 87 0 1 1,44343 -1,7088

42 2019-01-13 22:26:58 23,87 13,58 16,94 20,09 27,63 2,92 38,09 15,53 87 0 1 1,56882 0,108

43 2019-01-13 22:27:57 20,31 21,98 12,93 20,073 17,79 3,9 38,92 15,54 87 0 1 1,15007 0,0876

44 2019-01-13 22:28:21 18,77 10,58 12,41 15,677 26,71 4,1 38,92 15,43 87 0 1 1,43014 -5,1876

45 2019-01-13 22:29:07 12,55 14,02 16,93 13,429 24,08 3,65 38,01 15,69 87 0 1 1,40236 -7,8852

46 2019-01-13 22:30:04 11,89 16,11 16,43 13,61 24,63 3,07 38,57 15,53 87 0 1 1,45865 -7,668

47 2019-01-13 22:30:15 20,4 24,17 13,9 20,881 29,72 2,44 38,75 15,79 87 0 1 1,70366 1,0572

48 2019-01-13 22:30:26 11,16 23,1 14,31 15,057 22,49 4,01 38 15,53 87 0 1 1,304 -5,9316

49 2019-01-13 22:30:38 15,61 12,01 11,6 14,129 26,47 3,01 38,11 15,64 87 0 1 1,53444 -7,0452

50 2019-01-13 22:30:50 14,42 25,52 16,42 17,95 20,16 4,2 38,64 15,44 87 0 1 1,20094 -2,46

51 2019-01-13 22:31:02 17,81 13,05 12,94 15,895 17,44 4,51 38,87 15,79 87 0 1 1,10568 -4,926

52 2019-01-13 23:08:59 11,08 13,93 13,3 12,157 22,66 2,69 38,32 15,75 91 0,4 1 1,44131 -9,4116

53 2019-01-13 23:39:18 21,64 11,69 15,51 18,042 21,27 2,9 38,24 15,68 91 0,4 1 1,36626 -2,3496

54 2019-01-14 00:24:47 24,91 11,9 13,44 19,86 28,34 1,25 38,29 15,68 92 0,9 1 1,7699 -0,168

55 2019-01-14 02:41:09 18,47 15,64 11,97 16,971 19,25 1,38 38,31 15,71 92 0,9 1 1,47633 -3,6348

56 2019-01-14 03:41:46 14,08 18,93 19,88 16,115 28,38 3,85 38,93 15,71 92 0,9 1 1,5143 -4,662

57 2019-01-14 03:56:55 17,2 22,11 17,46 18,699 19,87 2,1 38,09 15,75 92 0,9 1 1,40999 -1,5612

58 2019-01-14 04:27:13 19,52 13,7 17,87 17,609 29,02 3,1 38,05 15,68 92 0,9 1 1,59738 -2,8692

59 2019-01-14 04:57:31 17,31 21,58 13,86 18,246 17,19 1 38,15 15,68 92 0,9 1 1,45742 -2,1048

60 2019-01-14 05:42:56 16,55 17,32 19,93 17,119 23,74 4,95 38,1 15,61 93 1,2 1 1,26012 -3,4572

61 2019-01-14 05:58:05 10,55 17,3 10,95 12,615 25,45 4,05 38,94 15,41 99 0,2 1 1,35364 -8,862

62 2019-01-14 06:58:41 24,45 11,12 11,72 19,178 20,95 4,53 38,53 15,41 99 0,2 1 1,16487 -0,9864

63 2019-01-14 07:13:50 17,17 16,55 10,17 16,284 29,76 3,77 38,76 15,52 99 0,2 1 2,73944 -4,4592

64 2019-01-14 07:44:08 16,94 23,81 19,3 19,237 19,8 3,04 38,86 15,72 99 0,2 1 2,31602 -0,9156

65 2019-01-14 07:59:17 12,07 29,54 10,79 17,183 20,02 2,65 38,53 15,45 99 0,2 1 2,36449 -3,3804

66 2019-01-14 08:44:45 22,56 15,2 13,53 19,449 18,28 2,54 38,3 15,7 91 0,3 1 2,33036 -0,6612

67 2019-01-14 08:59:57 10,48 15,2 12,04 12,052 27,14 1,1 38,19 15,68 91 0,3 1 3,15237 -9,5376

68 2019-01-14 10:15:41 10,45 25,63 13,4 15,299 19,98 1,96 38,51 15,65 91 0,3 1 2,55029 -5,6412

69 2019-01-14 11:31:28 14,58 18,41 10,48 15,319 25,43 3,29 38,15 15,62 75 0,6 1 2,65368 -5,6172

70 2019-01-14 11:46:37 12,09 13,88 17,54 13,172 28,43 4,01 38,71 15,74 75 0,6 1 2,74196 -8,1936

71 2019-01-14 12:01:47 15,64 12,77 19,12 15,127 18,05 3,11 38,12 15,4 75 0,6 1 2,19707 -5,8476

72 2019-01-14 12:16:56 10,92 21,23 12,01 14,122 23,24 1,04 38,37 15,6 75 0,6 1 2,95884 -7,0536

73 2019-01-14 12:47:22 16,26 28,96 18,59 20,303 21,63 4,58 38,77 15,62 75 0,6 1 2,22779 0,3636

74 2019-01-14 13:17:41 24,3 13,23 18,83 20,432 23,24 3,47 38,02 15,55 75 0,6 1 2,48183 0,5184

75 2019-01-14 13:32:50 18,76 10,49 17,92 16,195 17,88 2,04 38,33 15,71 75 0,6 1 2,43391 -4,566

76 2019-01-14 14:33:35 12,32 14,3 14,14 13,096 20,55 2,71 38,11 15,82 73 4,2 1 2,49077 -8,2848

77 2019-01-15 00:12:23 16,82 28,74 10,61 19,775 18,06 1,02 38,68 15,63 98 0,2 1 1,47485 -0,27

78 2019-01-15 05:15:28 10,45 25,63 13,4 15,299 19,98 1,96 38,51 15,65 98 2,1 1 1,41274 -5,6412

79 2019-01-15 06:46:24 12,09 13,88 17,54 13,172 28,43 4,01 38,71 15,74 95 4,5 1 1,49544 -8,1936

80 2019-01-15 07:16:42 10,92 21,23 12,01 14,122 23,24 1,04 38,37 15,6 95 4,5 1 2,94352 -7,0536

39

81 2019-01-15 08:32:28 18,76 10,49 17,92 16,195 17,88 2,04 38,33 15,71 93 2,8 1 2,40914 -4,566

82 2019-01-15 09:33:05 12,32 14,3 14,14 13,096 20,55 2,71 38,11 15,82 93 2,8 1 2,45292 -8,2848

83 2019-01-15 11:04:00 20,58 21,83 11,1 20,007 27,42 2,74 38,04 15,49 80 0,5 1 2,82476 0,0084

84 2019-01-15 12:04:41 14,63 19,22 15,11 16,055 22,93 1,48 38,57 15,69 80 0,5 1 2,85263 -4,734

85 2019-01-15 12:50:10 14,23 24,02 17,04 17,448 19,36 2,5 38,35 15,53 80 0,5 1 2,39924 -3,0624

86 2019-01-15 13:50:48 24,19 15,75 16,88 20,927 29,97 1,2 38,78 15,44 80 0,5 1 3,22918 1,1124

87 2019-01-15 15:36:55 11,42 15,96 12,08 12,848 26,71 4,68 38,76 15,65 72 1,6 1 2,54312 -8,5824

88 2019-01-15 15:52:06 13,12 19,48 17,17 15,433 20,57 3,18 38,54 15,58 72 1,6 1 2,37545 -5,4804

89 2019-01-15 16:07:15 18,53 22,39 14,49 19,284 22,84 4,11 38,74 15,54 72 1,6 1 2,36691 -0,8592

90 2019-01-15 16:52:44 10,88 25,34 16,51 15,781 28,22 3,13 38,89 15,53 72 1,6 1 2,83256 -5,0628

91 2019-01-15 18:38:51 12,87 16,19 15,15 14,094 23,87 1,57 38,53 15,66 81 3,1 1 1,61177 -7,0872

92 2019-01-15 20:40:07 13,26 28,45 12,82 17,773 21,34 1,66 38,36 15,63 93 1,8 1 1,50075 -2,6724

93 2019-01-15 21:10:25 18,79 11,82 17,07 16,527 23,39 2,56 38,23 15,56 93 1,8 1 1,45784 -4,1676

94 2019-01-15 21:25:35 13,35 20,97 17,53 16,054 28,08 3,69 38,34 15,53 93 1,8 1 1,49825 -4,7352

95 2019-01-15 21:40:44 11,2 19,06 12,14 13,652 19,8 3,7 38,79 15,7 93 1,8 1 1,2354 -7,6176

40

ANEXO 4

ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA SIM800C

Placa de desarrollo SIM800c Shield para Arduino en lugar de SIM900 Módulo

GPRS GSM 4 Frecuencia disponible

Descripción:

SIM800C es un módulo GSM / GPRS de cuatro frecuencias, para el paquete

castle hole. Su rendimiento estable, apariencia compacta, rendimiento de alto

costo, para satisfacer las necesidades de los clientes.

Chip SIM800C: La frecuencia de trabajo de SIM800C es 850/900/1800 /

1900MHz GSM / GPRS, puede lograr un bajo consumo de energía.

Transmisión de voz, SMS e información de datos. El tamaño de SIM800C es

17.6 * 2.3 mm * 15.7, se puede aplicar a una variedad de requisitos de diseño

de productos compactos. Características principales:

• Cuatro frecuencias 850/900/1800 / 1900MHz

• Mensaje corto

• FTP / HTTP, protocolo TCP / UDP incorporado

• Detección de DTMF, Bluetooth 3.0 (opcional), interfaz USB

Hardware del escudo SIM800C:

La interfaz de la fuente de alimentación admite la entrada de voltaje de 5-26V.

Cuando la tensión es de 5-9 V, la corriente del adaptador de la fuente de

alimentación no puede proporcionar menos de 2A; y la batería de litio de

soporte (3.6-4.2V)

Interfaz de comunicación para puerto serie nivel TTL. Totalmente compatible

con Arduino, y compatible con otros sistemas de 5V, 3.3V, 2.85V. Puede a

través de la tapa del puente elegir utilizar el puerto serie de hardware (D1 D0)

o el puerto serie de software (D8 D7).

Soporte MICRO SIMCARD.

Es compatible con los cuatro segmentos de la toma de auriculares (tipo I).

Soporte de actualización de firmware SIM800C a través de USB o puerto

serie.

Se puede actualizar a la placa de desarrollo con la versión Bluetooth.

Tubo TVS a bordo, tarjeta SIM para proteger IC, dos condensadores de

tantalio de 100 UF y otras formas de hacer que la placa de desarrollo tenga

una estabilidad de rendimiento.