Desarrollo de un sistema de monitoreo y automatización de bajo costo para un sistema de riego casero
La gran mayoría de actividades agrícolas que se llevan a cabo en Colombia son de accionamiento manual, este es intrínsecamente poco eficiente debido a las propiedades físicas del agua, ya que se generan pérdidas por evaporación, filtraciones, manejo impreciso de los instrumentos de riego, etc. ademá...
- Autores:
-
Eljach Rey, Andrés Camilo
Suárez Durán, Javier Leonel
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2024
- 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/20.500.12749/27022
- Palabra clave:
- Industry 4.0
Software
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Microirrigation
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La gran mayoría de actividades agrícolas que se llevan a cabo en Colombia son de accionamiento manual, este es intrínsecamente poco eficiente debido a las propiedades físicas del agua, ya que se generan pérdidas por evaporación, filtraciones, manejo impreciso de los instrumentos de riego, etc. además que la oferta en soluciones de riego automatizado son escasas y poco apropiadas para ambientes caseros. El objetivo de este proyecto es asegurar un uso más eficiente de este mediante la implementación de las últimas tecnologías referentes a la industria 4.0 con un enfoque particular en el bajo costo, de uso libre enfocándose en la superación de limitaciones del hardware mediante desarrollos en el software, permitiendo así un riego automático programable, visualización remota del estado del sistema de riego y trazabilidad en la nube para la depuración de comportamientos de riego indeseables en ambientes caseros. |
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García, J., & Montesinos, P. (2022). IoT platform for failure management in water transmission systems. Expert systems with applications, 199, ScienceDirect. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2022.116974 Bruno, F., De Marchis, M., Milici, B., Saccone, D., & Traina, F. (2021). A pressure monitoring system for water distribution networks based on Arduino microcontroller. Water, 13(17), 2321. https://doi.org/10.3390/w13172321 Panagiotakopoulos, T., Vlachos, D. P., Bakalakos, T. V., & Kanavos, A. (2021). A FIWARE- based IoT framework for smart water distribution management. En 12th International Conference on Information, Intelligence, Systems & Applications (IISA). Campos, H., Fonseca, H., Mesquita, M., Vieira, L., & Sonranz, R. (2021). Low-cost open- source platform for irrigation automation. Computers and Electronics in Agriculture, 190, 106401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169921004981 Nawandar, N., & Satpute, V. (2019). IoT based low cost and intelligent module for smart irrigation system. Computers and Electronics in Agriculture, 162, 979-990. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169918318076 Zeng, Y., Chen, C., & Lin, G. (2023). Practical application of an intelligent irrigation system to rice paddies in Taiwan. Agricultural Water Management, 280, Article. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377423000811 Cortes Cadavid, V., & Vargas Garcia, M. F. (2020). Diseño e implementación de un sistema de riego automatizado y monitoreo de variables ambientales mediante IoT en los cultivos urbanos de la Fundación Mujeres Empresarias Marie Poussepin [Tesis de grado, Universidad Católica de Colombia]. https://repository.ucatolica.edu.co/server/api/core/bitstreams/5dbe9100-e30b-4c32- a627-a0492baa7f56/content Colombia Climatology. (2021). Climate change knowledge portal. Recuperado de https://climateknowledgeportal.worldbank.org/country/colombia/climate-data-historical Britannica. (s.f). World distribution of precipitation Regional and latitudinal distribution. Recuperado de https://www.britannica.com/science/climate-meteorology/World-distribution-of- precipitation Reyes, M., & Rubio, J. (2014). Descripción de los sistemas de recolección y aprovechamiento de aguas lluvias. Trabajo de grado facultad de ingeniería. Universidad Católica de Colombia. Repositorio Ucatolica. Polyfarming. (s.f). El agua, el factor limitante de la productividad del sistema. Recuperado de https://polyfarming.eu/wp-content/uploads/2020/08/Ficha-suelo-n%C2%BA6_El-agua.pdf Allende, M. C., Negron, R. H., Contreras, C. S. (2024). Importancia del monitoreo de la presión de operación en un sistema de riego por cintas de goteo. Informativo INIA URURI, N° 121. Recuperado de https://biblioteca.inia.cl/bitstream/handle/20.500.14001/69236/NR43317.pdf?sequence=1&isAllo wed=y Ossa Duque, S. I. (2017). Monitoreo y control de variables ambientales mediante una red inalámbrica para agricultura de precisión en invernaderos. VECTOR, 12, 51-60. https://doi.org/10.17151/vect.2017.12.6 Weather Spark. (s.f.). Recuperado de https://es.weatherspark.com/y/24393/Clima-promedio- en-Floridablanca-Colombia-durante-todo-el-año Einstronic. (s.f.). Soil Moisture Level Sensor Module. Recuperado de https://einstronic.com/product/soil-moisture-level-sensor-module/ Jalalu Guntur, S. Srinivasulu Raju, K. Jayadeepthi, & Ch. Sravani. (2022). An automatic irrigation system using IoT devices. Materials Today: Proceedings, 68(6), 2233-1138. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.08.438 |
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El objetivo de este proyecto es asegurar un uso más eficiente de este mediante la implementación de las últimas tecnologías referentes a la industria 4.0 con un enfoque particular en el bajo costo, de uso libre enfocándose en la superación de limitaciones del hardware mediante desarrollos en el software, permitiendo así un riego automático programable, visualización remota del estado del sistema de riego y trazabilidad en la nube para la depuración de comportamientos de riego indeseables en ambientes caseros.1. Descripción breve del problema..............................................................................................14 2. Objetivos....................................................................................................................................14 2.1. Objetivo general.................................................................................................................14 2.2. Objetivos específicos..........................................................................................................14 3. Estado del arte ..........................................................................................................................15 4. Marco teórico ............................................................................................................................19 4.1. Sistemas de recolección de agua lluvia.............................................................................19 4.2. Sistemas de riego................................................................................................................19 4.3. Clasificación de sistemas de riego ....................................................................................20 4.3.1. Riego por Regadera. ...................................................................................................20 4.3.2. Riego por Goteo...........................................................................................................20 4.3.3. Riego por Aspersión. ...................................................................................................21 4.3.4. Variables importantes en los sistemas de riego y su cuantificación........................21 4.4. Microcontroladores en la automatización de riego ........................................................21 4.5. Node-RED...........................................................................................................................22 4.5.1. Programación en Node-RED......................................................................................23 4.5.2. Paletas/funcionalidad agregada. ................................................................................25 4.6. Ecuación Swamee-Jain......................................................................................................26 4.6.1. Volumen de un cilindro...............................................................................................27 4.6.2. Presión hidrostática. ...................................................................................................27 4.7. Conteo de pixeles................................................................................................................28 5. Metodología y consideraciones................................................................................................28 5.1. Metodología empleada.......................................................................................................28 5.2. Especificaciones técnicas y requisitos del cliente ............................................................29 6. Cronograma de actividades.....................................................................................................30 7. Diseño del sistema de riego ......................................................................................................32 7.1. Boceto inicial ......................................................................................................................32 7.2. Diagrama electrónico final................................................................................................33 7.2.1. Etapa de control. .........................................................................................................33 7.2.2. Etapa intermedia.........................................................................................................34 7.2.3. Etapa de Potencia........................................................................................................34 7.3. Diseño físico........................................................................................................................34 7.3.1. Análisis de requisitos...................................................................................................36 7.3.2. Diseño del sistema. ......................................................................................................36 7.3.3. Modelo CAD. ...............................................................................................................39 7.3.4. Lista de componentes..................................................................................................41 8. Selección de la instrumentación ..............................................................................................42 8.1. Selección de Microcontrolador .........................................................................................43 8.2. Selección de higrómetro ....................................................................................................43 8.2.1. Tabla de Selección de Higrómetro. ............................................................................44 8.3. Selección de sensor de nivel ..............................................................................................44 8.3.1. Tabla de selección sensor de nivel..............................................................................45 8.4. Selección de electroválvula................................................................................................45 8.4.1. Tabla de selección de electroválvula. .........................................................................46 8.5. Selección de flujómetro .....................................................................................................47 8.5.1. Tabla de Selección de flujómetro. ..............................................................................48 8.6. Selección de relé .................................................................................................................48 8.7. Tabla final de Instrumentación.........................................................................................49 8.8. Tabla de totalización de energía .......................................................................................50 9. Construcción y puesta en marcha del sistema de riego y monitoreo ...................................50 9.1. Construcción física.............................................................................................................50 9.2. Programación del riego .....................................................................................................53 9.2.1. Alimentación de la etapa de control. .........................................................................54 9.2.2. Lectura de los sensores. ..............................................................................................54 9.2.3. Mediciones indirectas. ................................................................................................55 9.2.3.1. Medición indirecta de Volumen...........................................................................55 9.2.3.2. Medición indirecta de Presión.............................................................................58 9.2.4. Lógica de riego por higrómetro. ................................................................................58 9.2.4.1. Sistema de Seguridad. ..........................................................................................60 9.2.5. Lógica de riego temporizado......................................................................................61 9.2.6. Impresión de las variables..........................................................................................61 9.2.7. Simulación de los modelos lógicos. ............................................................................62 9.3. Programación de visualización y trazabilidad ................................................................62 9.3.1. Entrada de datos. ........................................................................................................63 9.3.2. Conversión a JSON.....................................................................................................64 9.3.3. Conversión a string. ....................................................................................................65 9.3.4. Reconocimiento individual de valores.......................................................................66 9.3.5. Acondicionamiento de datos.......................................................................................67 9.3.6. Despliegue y visualización. .........................................................................................67 9.3.6.1. Despliegue..............................................................................................................67 9.3.6.2. Visualización. ........................................................................................................69 9.3.7. Flujo completo. ............................................................................................................73 10. Protocolo de Pruebas y resultados........................................................................................74 10.1. Resultados de la Simulación ..........................................................................................74 10.1.1. Simulación del Sistema de Riego. ............................................................................74 10.1.2. Resultados de la simulación de presión...................................................................77 10.2. Pruebas .............................................................................................................................79 10.2.1. Funcionamiento de Higrómetros. ............................................................................79 10.2.2. Funcionamiento de sensor de flujo. .........................................................................82 10.2.2.1. Primer riego ........................................................................................................83 10.2.2.2. Segundo Riego.....................................................................................................83 10.2.2.3. Tercer Riego. .......................................................................................................84 10.2.3. Funcionamiento de sensor de distancia...................................................................85 10.3. Validación del registro y lógica de riego ........................................................................86 11. Ajustes del sistema y puesta a punto.....................................................................................90 11.1. Puesta a punto del código de Arduino............................................................................90 11.2. Puesta a punto del flujo en Node-RED ..........................................................................90 11.3. Puesta a punto del sistema de riego................................................................................90 12. Conclusiones............................................................................................................................91 13. Recomendaciones y trabajo futuro .......................................................................................93 14. Bibliografía..............................................................................................................................94 15. Anexos......................................................................................................................................96PregradoA great majority of agricultural activities carried out in Colombia are of a manual nature, this is intrinsically inefficient given the properties of water, thus losses of this important resource are produced through evaporation, leaks, imprecise use of irrigation tools, among others. Additionally, the market lacks price-conscious solutions for small irrigation needs such as vegetable gardens and greenhouses found in homes. The purpose of this project is not only to utilize this natural resource creating an automation of the manual labor from an already existing rainwater collector, but to ensure a more efficient use of it employing the latest technologies referring to Industry 4.0 with a focus on low-cost, open source and free of restrictions based on subscriptions or use of other proprietary elements, with a particular focus on overcoming hardware limitations with conscious software development, thus allowing a customizable automatic irrigation system, a real-time monitoring system and data-logging capabilities on the cloud to debug undesirable irrigation behaviors particularly in household applications.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un sistema de monitoreo y automatización de bajo costo para un sistema de riego caseroDevelopment of a low-cost monitoring and automation system for a homemade irrigation systemIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería MecatrónicaIMK-1789info:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPIndustry 4.0SoftwareHardwareData-loggingReal-time monitoringMechatronicAutomatic controlWater supplyIndustrial process controlAutomationMicroirrigationMecatrónicaControl automáticoAbastecimiento de aguaControl de procesos industrialesAutomatizaciónMicroirrigaciónIndustria 4.0TrazabilidadMonitoreo en tiempo realGarcía, J., & Montesinos, P. 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