Construcción de un sistema hidropónico automatizado para implementación en comunidad Wayúu del departamento de la Guajira
El presente proyecto evidencia el proceso de diseño e implementación del prototipo de un sistema hidropónico automatizado con el fin de evaluar la viabilidad del mismo como apoyo a la alimentación de una comunidad wayúu de la alta Guajira. Para ello se llevan a cabo etapas experimentales y una imple...
- Autores:
-
Benítez Muñoz, Cristian Fabian
Montañez Leal, Michael Orlando
Higuera Uribe, Nelson David
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/14344
- Palabra clave:
- Mechatronic
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Hydroponic system
Wayúu community
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Cultivation practices
Soilless cultivation
Mecatrónica
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Prácticas de cultivo
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El presente proyecto evidencia el proceso de diseño e implementación del prototipo de un sistema hidropónico automatizado con el fin de evaluar la viabilidad del mismo como apoyo a la alimentación de una comunidad wayúu de la alta Guajira. Para ello se llevan a cabo etapas experimentales y una implementación en un ambiente con características medioambientales similares a las observadas en el área objetivo del proyecto, que corresponde al departamento ya mencionado. Este proceso es soportado por medio de técnicas de visión artificial que permiten definir las características del sistema hidropónico, de forma que se obtengan los mejores resultados de acuerdo a las condiciones propias de la región. El prototipo está conformado por diferentes subsistemas que se encargan de los procesos de transformación y almacenamiento de la energía, adecuación de las características del agua requerida por el cultivo, circulación del líquido y verificación de las necesidades de las plantas. Estos subsistemas le brindan la autonomía necesaria para operar con mínima intervención humana y la capacidad de generar la energía requerida para llevar a cabo todos sus procesos. |
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[1] S. Guerrero, “‘4.770 niños muertos en La Guajira es una barbarie’: Corte | El Heraldo,” pp. 1–8, 2018. [2] J. Murcia and L. Chacón, “Diseño De Un Sistema Autómatico De Cultivo Hidropónico Oara Forraje Verde,” 2018 [3] ONU, “¿ Qué Son Los Objetivos De Desarrollo ¿ Cuál Es La Función Del Pnud ?,” pp. 1–3, 2018, [Online]. Available: http://www.undp.org/content/undp/es/home/sustainable-development- goals.html. [4] V. Palande, A. Zaheer, and K. George, “Fully Automated Hydroponic System for Indoor Plant Growth,” Procedia Comput. Sci., vol. 129, pp. 482–488, 2018, doi: 10.1016/j.procs.2018.03.028. [5] F. Jaimes, B. Collazos, E. Arce, and M. Chauca, “Hydroponic System with Automated Hydrolysis Using Renewable Energy Self-Sustainable,” MATEC Web Conf., vol. 256, p. 02012, 2019, doi: 10.1051/matecconf/201925602012 [6] N. Wagh Vijendra Pokharkar Assistant Professor and A. Bastade Priyanka Surwase, “PLC based Automated Hydroponic System,” IJSTE-International J. Sci. Technol. Eng. |, vol. 2, no. 10, pp. 995–999, 2016, [Online]. Available: www.ijste.org [7] C. Ramos, L. Nobrega, K. Baras, and L. Gomes, “Experimental NFT hydroponics system with lower energy consumption,” Proc. 2019 5th Exp. Int. Conf. exp.at 2019, vol. 500, pp. 102–106, 2019, doi: 10.1109/EXPAT.2019.8876479 [8] K. Selander, “Automated Greenhouse,” 2017 [9] J. Ortner, “Automated Hydroponic system,” 2019. [10] Hidroponia.org, “Historia de la Hidroponia,” 2020. https://hidroponia.org.mx/index.php/historia-de-la-hidroponia [11] Hidroponia.org, “¡Sabías que?...Hidroponia una fabrica de plantas,” 2020. https://hidroponia.org.mx/index.php/sabias-que-hidroponia-una-fabrica-de- 100 plantas. [12] J. C. Gilsanz, “HIDROPONIA,” 2007. [13] FAO, Legumbres, semillas nutritivas para un futuro sostenible. 2016. [14] ICBF, Tabla de Composición de Alimentos Colombianos (TCAC). Bogotá, 2015. [15] M. Á. Álamo, “Importancia del pH en la Agricultura,” 2016, pp. 5–7. [16] T. L. Brown, J. H. Eugene LeMay, B. E. Bursten, and J. R. Burdge, Química: La ciencia central. 2004 [17] Omega, “Medición de nivel,” 2020. https://es.omega.com/section/medicion- de-nivel.html. [18] G. Sela, “Tensiómetros,” 2020. https://www.smart- fertilizer.com/es/articles/tensiometers-1 [19] Irrometer, “Fundamentos de la humedad del suelo,” 2020. https://www.irrometer.com/basicssp.html [20] D. G. Martínez, “Diseño de Sensores de Humedad de Suelo Basados en Técncias de Feflectometría de la Frecuencia (FDR),” UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA, 2016 [21] Siemens, “¿ Qué es un Siemens LOGO ! ?,” 2014 [22] Omron et al., Aplicación práctica de la visión artificial en el control de procesos industriales. 2012. [23] Gchydro, “4 Types of hydroponics,” pp. 1–2, 2016. [24] ASPROMOR, Manual de cultivo de frijol caupi. 2012 [25] F. Torres and M. Berrú, Frijol caupi Manual de Manejo para producir Semilla. [26] Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales-IDEAM, “Carácterísticas Climatológicas De Ciudades Principales Y Municipios Turísticos,” Inst. Hidrol. Meteorol. y Estud. Ambient., p. 48, 2012, [Online]. Available: http://www.ideam.gov.co/documents/21021/418894/Características+de+Ciud ades+Principales+y+Municipios+Turísticos.pdf/c3ca90c8-1072-434a-a235- 91baee8c73fc%0Ahttp://www.ideam.gov.co/documents/21021/21789/1Sitios +turisticos2.pdf/cd4106e9-d608-4c29-91cc-16bee91 [27] PAVCO, “Manual Técnico Tubosistemas Presion PVC,” p. 22, 2020 [28] F. White, Mecanica de fluidos 5ta e. 2004 [29] V. A. Atiemo-Obeng and R. V. Calabrese, HANDBOOK OF INDUSTRIAL MIXING. 2004 [30] J. M. Cimbala and Y. a. Cengel, “Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones,” McGrawHill, 2006 [31] V. Castillo, “Diseño y Calculo de un Agitador de Fluidos,” Fac. Inginieria Dep. inginieria mecánica, 2013, [Online]. Available: http://repobib.ubiobio.cl/jspui/bitstream/123456789/412/1/Castillo_Uribe_Vla dimir.pdf. [32] Indostra, “Agitadores industriales,” 2020 [33] Y. Sifontes and V. E. Machado, “Alimentación y nutrición en situaciones de emergencia,” 2000. https://www.analesdenutricion.org.ve/ediciones/2000/1/art-10/ |
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Este proceso es soportado por medio de técnicas de visión artificial que permiten definir las características del sistema hidropónico, de forma que se obtengan los mejores resultados de acuerdo a las condiciones propias de la región. El prototipo está conformado por diferentes subsistemas que se encargan de los procesos de transformación y almacenamiento de la energía, adecuación de las características del agua requerida por el cultivo, circulación del líquido y verificación de las necesidades de las plantas. Estos subsistemas le brindan la autonomía necesaria para operar con mínima intervención humana y la capacidad de generar la energía requerida para llevar a cabo todos sus procesos.1.0 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 14 1.1 DESCRIPCIÓN BREVE DEL PROBLEMA .................................................. 14 1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ............................................................. 14 2.0 OBJETIVOS ..................................................................................................... 17 2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................. 17 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 17 3.0 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................ 18 4.0 MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 21 4.1 HIDROPONÍA .............................................................................................. 21 4.2 TIPOS DE SISTEMAS HIDROPÓNICOS .................................................... 22 4.2.1 FLUJO Y REFLUJO (EBB & FLOW) ...................................................... 22 4 2.2 PELÍCULA DE NUTRIENTES O NFT (NUTRIENT FILM TECHNIQUE) 23 4.2.3 SISTEMAS POR GOTEO (DRIP SYSTEMS) ......................................... 23 4.3 LEGUMBRES .............................................................................................. 24 4.4 INFORMACIÓN NUTRICIONAL DEL FRIJOL CABECITA NEGRA............. 25 4.5 VARIABLES DE INTERÉS .......................................................................... 25 4.5.1 POTENCIAL DE HIDRÓGENO (pH) ...................................................... 25 4.5.2 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA (CE) .................................................... 26 4.5.3 NIVEL DE AGUA DEL TANQUE DE DOSIFICADO ............................... 26 4.5.4 HUMEDAD DEL SUSTRATO ................................................................. 27 4.6 PLC SIEMENS LOGO V8 ............................................................................ 27 4.7 SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA ................................................. 27 4.8 VISIÓN ARTIFICIAL .................................................................................... 28 4.9 SUBSISTEMAS PRINCIPALES DEL SISTEMA HIDROPÓNICO PLANTEADO ..................................................................................................... 28 4.9.1 SUBSISTEMA DE DESALINIZACIÓN .................................................... 28 4.9.2 TANQUE DE DOSIFICACIÓN DE NUTRIENTES .................................. 28 4.9.3 ZONA DE CULTIVO DE PLANTAS ........................................................ 29 4.9.4 SUBSISTEMA DE CONTROL ................................................................ 29 4.9.5 SUBSISTEMA ENERGÉTICO ................................................................ 29 5.0 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA .......................................................... 30 6 5.1 DEFINICIÓN DE LA METODOLOGÍA ......................................................... 30 5.2 SELECCIÓN DE LA ESPECIE DE LEGUMINOSA...................................... 31 5.3 EXPERIMENTO 1 – GERMINACIÓN DE FRÍJOL CAUPÍ ........................... 32 5.4 ESTRATEGIA HIDROPÓNICA .................................................................... 33 5.5 PROPUESTA Y BOSQUEJO GENERAL DEL SISTEMA HIDROPÓNICO .34 5.5.1 FUNCIONES DEL SISTEMA HIDROPÓNICO ....................................... 34 5 5.2 BOSQUEJO GENERAL DEL SISTEMA HIDROPÓNICO PLANTEADO35 5.6 DIMENSIONAMIENTO Y REQUERIMIENTOS DEL CULTIVO ................... 35 5.7 SELECCIÓN DE COMPONENTES ............................................................. 36 5.7.1 SENSOR DE pH ..................................................................................... 36 5.7.2 SENSOR DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA ....................................... 37 5.7.3 SENSOR DE HUMEDAD DEL SUELO .................................................. 38 5.7.4 BOMBA HIDRÁULICA ............................................................................ 39 5.7.5 SENSOR DE NIVEL DE LÍQUIDO ......................................................... 47 5.7.6 MOTOR DEL MEZCLADOR ................................................................... 48 5.7.7 CONTROLADOR.................................................................................... 57 5.8 DISEÑO DEL SISTEMA HIDROPÓNICO .................................................... 58 5.8.1 DISEÑO CAD DEL SISTEMA ................................................................. 58 5.8.2 ANÁLISIS ESTÁTICO DE LA ESTRUCTURA DE LA ZONA DE CULTIVO .......................................................................................................................62 5.8.3 PLANOS DEL SISTEMA HIDROPÓNICO .............................................. 69 5.8.4 DIAGRAMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO DEL SISTEMA ................ 70 5.8.5 DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ..................... 70 5.9 EXPERIMENTO 2 - VISIÓN ARTIFICIAL .................................................... 72 5.9.1 RESULTADOS EXPERIMENTO 2 ......................................................... 74 5.9.2 CONCLUSIONES EXPERIMENTO 2 ..................................................... 80 5.10 IMPLEMENTACIÓN EN EL DEPARTAMENTO DE SANTANDER ............ 81 5.10.1 VERIFICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO ........................................... 86 5.11.2 RESULTADO DE LA IMPLEMENTACIÓN EN SANTANDER .............. 89 5.11.3 MANUAL DE USUARIO DEL PROTOTIPO ......................................... 92 5.11 SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE CULTIVO HIDROPÓNICO AUTOMATIZADO .............................................................................................. 93 6.0 CONCLUSIONES ............................................................................................ 97 7.0 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 99 8.0 ANEXOS ........................................................................................................ 102 8.1 CONDICIONES CLIMÁTICAS DE LA GUAJIRA ....................................... 102 8.2 EXPERIMENTO 1 – GERMINACIÓN DE FRÍJOL CAUPÍ ......................... 114 8.2.1 INTRODUCCIÓN.................................................................................. 114 8.2.2 LISTA DE MATERIALES ...................................................................... 115 8.2.3 PROCEDIMIENTO ............................................................................... 115 8.2.4 RESULTADOS EXPERIMENTO 1 ....................................................... 118 8.2.5 CONCLUSIONES EXPERIMENTO 1 ................................................... 123 8.3 DIMENSIONAMIENTO Y REQUERIMIENTOS DEL CULTIVO ................. 124 8.4 TABLAS CARACTERÍSTICAS DE SENSORES Y COMPONENTES ....... 127 8.5 DIMENSIONES DE TANQUES PLÁSTICOS ............................................ 130 8.6 DATOS ADICIONALES DE LA SIMULACIÓN DE ESFUERZOS EN LA ESTRUCTURA DE SOPORTE ........................................................................ 131 8.7 PLANOS DEL SISTEMA HIDROPÓNICO ................................................. 133 8.8 EVIDENCIA FOTOGRÁFICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA HIDROPÓNICO AUTOMATIZADO EN SANTANDER ..................................... 138 8.9 MANUAL DE USUARIO............................................................................. 141 8.10 CÓDIGO DE VISIÓN ARTIFICIAL ........................................................... 155 8.11 ALGORITMO DEL CÓDIGO DE VISIÓN ARTIFICIAL ............................. 166 8.12 CÓDIGO QUE GRAFICA LOS DATOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE VISIÓN ARTIFICIAL ........................................................................................ 172 8.13 EXPERIMENTO 2 - VISIÓN ARTIFICIAL ................................................ 183 8.13.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................ 183 8.13.2 LISTA DE MATERIALES .................................................................... 183 8.13.3 METODOLOGÍA DEL EXPERIMENTO .............................................. 184 8.13.4 PROCEDIMIENTO ............................................................................. 187 8.13.5 RESULTADOS EXPERIMENTO 2 ..................................................... 193 8.13.6 CONCLUSIONES EXPERIMENTO 2 ................................................. 198 8.14 CÓDIGO DEL LOGO USADO EN LA IMPLEMENTACIÓN EN SANTANDER ....................................................................................................................... 199 8.15 RECURSOS ............................................................................................ 200PregradoThis project demonstrates the process of designing and implementing the prototype of an automated hydroponic system to evaluate its viability as a way to increase the food security of a Wayúu community in La Guajira. For that purpose, experimental stages and a prototype implementation are carried out in an environment with similar characteristics to those observed in the target area of the project, which corresponds to the aforementioned department. This process is supported by artificial vision techniques that allow defining the characteristics of the hydroponic system considering the conditions of the region. The prototype is composed of different subsystems that are responsible for the processes of transformation and storage of energy, the adaptation of the characteristics of the water required by the crop, fluid circulation and verification of the needs of the plants. These subsystems provide the necessary autonomy to operate with minimal human intervention and the ability to generate the energy required to execute all its processes.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaConstrucción de un sistema hidropónico automatizado para implementación en comunidad Wayúu del departamento de la GuajiraConstruction of an automated hydroponic system for implementation in the Wayúu community of the Department of La GuajiraIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicEnergy storageHydroponic systemWayúu communityPrototype developmentAutomationCultivation practicesSoilless cultivationMecatrónicaDesarrollo de prototiposAutomatizaciónPrácticas de cultivoCultivo sin tierraAlmacenamiento de la energíaSistema hidropónicoComunidad Wayúu[1] S. Guerrero, “‘4.770 niños muertos en La Guajira es una barbarie’: Corte | El Heraldo,” pp. 1–8, 2018.[2] J. Murcia and L. Chacón, “Diseño De Un Sistema Autómatico De Cultivo Hidropónico Oara Forraje Verde,” 2018[3] ONU, “¿ Qué Son Los Objetivos De Desarrollo ¿ Cuál Es La Función Del Pnud ?,” pp. 1–3, 2018, [Online]. Available: http://www.undp.org/content/undp/es/home/sustainable-development- goals.html.[4] V. Palande, A. Zaheer, and K. George, “Fully Automated Hydroponic System for Indoor Plant Growth,” Procedia Comput. Sci., vol. 129, pp. 482–488, 2018, doi: 10.1016/j.procs.2018.03.028.[5] F. Jaimes, B. Collazos, E. Arce, and M. Chauca, “Hydroponic System with Automated Hydrolysis Using Renewable Energy Self-Sustainable,” MATEC Web Conf., vol. 256, p. 02012, 2019, doi: 10.1051/matecconf/201925602012[6] N. Wagh Vijendra Pokharkar Assistant Professor and A. Bastade Priyanka Surwase, “PLC based Automated Hydroponic System,” IJSTE-International J. Sci. Technol. 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