AM40 - 10encuentroBiotecnologia - Instituto Politécnico Nacional

AM40 - 10encuentroBiotecnologia - Instituto Politécnico Nacional

CONTROL DE HUMEDAD EN EL SUELO Y TEMPERATURA PARA LA PRESERVACIÓN DE LA
ECHEVERIA LAUI PLANTA EN PELIGRO DE EXTINCIÓN
1
1*
1*
Rubén Sáenz-Pérez , Nathyely Marisol León-Lugo Santiago Jerónimo-Reyes
2
Naythyely Marisol, Procesos Industriales, Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica,
Unidad Adolfo López Mateos Av. Luis Enrique Erro S/N, Delegación Gustavo A. Madero, C.P. 07738 Ciudad de México, México.
Correo: nleon@ipn
1
Ruben, Procesos Industriales, Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica, Unidad
Adolfo López Mateos Av. Luis Enrique Erro S/N, Delegación Gustavo A. Madero, C.P. 07738 Ciudad de México, México..
Correo:[email protected]
Palabras clave: automatización, humedad, preservación y temperatura
Abstrac
variables (% de humedad en suelo-crecimiento de
plantas).
There are different projects in green houses to
preservation of botanic species which focus in the control
of irrigation, but a few of these have the ability of
manipulate of other variables which are involved for plants
growth (soil moisture, electric conductivity, pressure and
pH). In this paper we could find information about an
automatic system designed to handle and monitor different
settings of soil moisture and temperature; It as a proposal
of researchers of National Autonomous University of
Mexico (UNAM acronym in Spanish) in collaboration with
National Polytechnic Institute (IPN in Spanish) to create
better environmental conditions that help to grow and
preserve to the Echeveria laui what is a plant at risk of
extinction.
.
Introducción
Materiales
La Echeveria laui es una planta con características
ornamentales, medicinales y un peculiar proceso de
fotosíntesis con el cual continua generando oxígeno
durante las noches. Sus características la han llevado a la
sobre explotación y propiciando a que sea clasificada
como una especie en vías de extinción protegida por la
NOM-059-SEMANART-2010, por este motivo el Biólogo
Jerónimo Reyes de la Universidad Nacional Autónoma de
México(UNAM) propuso que a través de la automatización
manipular la humedad en el suelo y temperatura en un
ambiente cerrado para experimentar con esta especie con
el objetivo de mejorar el ambiente de las plantas y con ello
acelerar su crecimiento.
Tres grupos de plantas deben estar sometidos a un
parámetro diferente de humedad en el suelo cada grupo,
en un ambiente cerrado con la misma temperatura. El
esquema del sistema se muestra en la figura 1.
Metodología
El proyecto fue realizado a través un enfoque
Cuantitiativo-Deducitivo, y el método utilizado está
clasificado como experimental debido a la manipulación
de un determinado sistema o ambiente; con un estudio
correlacional ya que a través de la automatización se
busca conocer la relación existente entre dos o más
El lugar para la implementación del sistema fue en un
invernadero ubicado en la comunidad de San miguel
Totolcingo, perteneciente al municipio de Acolman,
Estado de México a 1 km de la carretera México-Texcoco,
cerca de la mina de tezontle de Texcoco.
La experimentación y el diseño de los elementos que
integran el prototipo se realizó en Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) y en el
laboratorio de Mineralogía de la Escuela Superior de
Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE)
ambos en la Unidad Adolfo López Mateos.
Los valores de humedad en el suelo son 20%, 40% y 60%
como se muestra en la figura 1, todos los grupos
comparten un ambiente cerrado a una temperatura entre
20 a 25°C, que es la temperatura del hábitat natural de las
E. Laui.
Individuos y tamaño de muestra para la experimentación
La especie de experimentación es la Echeveia laui puede
ser apreciada en la figura 1.
Dónde:
: Valor de la muestra
̅ : Media del número de muestras
∑
Figura 1Echeveria Laui
La población existente en el invernadero es de 142
individuos, y la muestra para la experimentación fue
calculada a partir de las siguientes ecuaciones:
̅ ) : Suma del cuadrado de las desviaciones
(
El valor de la suma del cuadrado y de las desviaciones
media de las muestras fueron calculadas en Excel con
base a al diámetro de las rosetas de cada una de las 142
plantas
̅ =57.4027
[
(
]
∑
(1)
)
̅ ) = 9440.9623
(
N=142
= 9440.9623 / 142 = 66.4856
(2a)
Dónde:
: Tamaño de la muestra
Sustituyendo los valores de las variables y el valor de (2a)
en (1) en tamaño de la muestra fue:
N: Total de la población.
: Valor critico que corresponde al nivel de confianza.
[
: Varianza o desviación estándar.
: Precisión (±5% correspondiente al 95% del nivel de
confianza).
La ecuación (1) es emplea para calcular un tamaño de
muestra en donde no se conoce el universo (todas las E.
Laui de México o incluso las del mundo). Para este caso
buscamos un nivel de confianza del 95% por lo tanto su
valor critico
obtenido a través la tabla t student fue de
1.645.
Por otra parte el cálculo de valor de
siguiente ecuación:
∑
(
̅)
(
̅)
(
fue obtenido de la
⁄
̅)
(
̅)
(2)
(
) (
]
)
=141.5437
El tamaño de la muestra se redondeó hacia abajo dando
como resultado 141, para que este valor sea dividido en
tres grupos de experimentación, un grupo por cada
parámetro de humedad en el suelo (60%, 40% y 20%),
dando como resultado a 47 individuos en cada grupo.
Cada grupo de plantas fue colocado en un contenedor de
3
con un volumen interior de 0.88 m , cada planta en el
-3
3
contenedor tiene un volumen 2.24x10 m para el
crecimiento de su raíz, este volumen permite que las
raíces de cada individuo se encuentren y se enreden,
también ayuda a que cada planta tenga su volumen de
agua para nutrirse
El sistema pertenece a un lazo cerrado de control del tipo
on-off, el control de la humedad es realizado con base al
diagrama de la Figura 2 realizando las siguientes
acciones:
-Es establecido un valor de referencia que respeta el
controlador para realizar las acciones pertinentes.
- Posteriormente el sensor detecta la cantidad de
humedad (en el suelo variable medida), y envía la señal
estándar (0 a 4 mili Amperes ó 0 a 10 Volts).
-La señal estándar es convertida a una señal digital a
través del convertidor para que sea interpretada por el
controlador y realice las acciones del control
correspondientes.
-Si el valor de la variable medida están dentro del valor de
referencia el controlador no acciona el actuador para
alterar la variable manipulada.
-Si el valor de la variable medida es menor que el valor de
referencia, el controlador acciona el actuador(acción on)
para alterar la variable medida y esta alcance los valores
de referencia para que posteriormente el controlador
desactive el actuador (acción off).
Estas instrucciones también pueden observarse en el
diagrama de flujo de la Figura 2.
El controlador está conformado por una placa arduino
MEGA 2560 y los valores de las variables son mostrados
a través de una pantalla LCD (por sus siglas en ingles
Liquid Crystal Display que traducidas significan pantalla
de cristal líquido) que funciona como interfaz gráfica
convirtiendo los valores medidos de la variables a
caracteres que permiten visualizar la información.
El sensor para la humedad en el suelo fue seleccionado
con base a las propiedades físicas (Tabla 1) del sustrato
donde fueron cultivadas las plantas que se muestran.
Estas características fueron obtenidas experimentando
con el sustrato propuesto, y siguiendo los lineamientos
establecidos por la Norma Oficial 021-SEMANART-2000
que establece “las especificaciones de fertilidad, salinidad
y clasificación de los suelos, estudio, muestreo y análisis”.
Propiedades del físicas del suelo
Densidad aparente
0.7110
Densidad Real
1.7210
Tipo de Suelo
Orgánico
% Porosidad
60%
%
de
contenido
volumétrico de agua θ
27. 17%
Tabla 2. Propiedades físicas del suelo
Las propiedades que son mostradas en la tabla 2 nos
permitieron ayudaron a seleccionar un sensor capacitivo
de placas paralelas. Este sensor capta la variación de la
constante dieléctrica del sustrato, la cual que es deducida
a partir de la capacitancia que altera la frecuencia de
resonancia captada por el
circuito sintonizador
interpretando la constante dieléctrica que nos permite
saber el valor de la humedad en el suelo. Esta relación se
puede apreciar en las siguientes ecuaciones:
C=εKc
Figura 2. Diagrama de flujo de control de humedad en el suelo
Estas instrucciones se realizan en cada grupo para cada
valor de humedad en el suelo respectivamente. En el caso
del diagrama para el control de temperatura (Figura 5)
realiza instrucciones similares a las del diagrama de flujo
en la Figura 3, y como fue mencionado anteriormente el
control de temperatura es para los grupos de plantas.
(3)
Por otra parte tenemos que:
Kc=L/d
(4a)
ó
Kc=A/d
(4b)
Dónde:
C: Capacitancia.
ε: constante dieléctrica absoluta del medio
Kc: constante del electrodo o la celda.
L: longitud el electrodo.
En un futuro se pretende emplear algún modo sustentable
de generar calor para poder controlar esta parte del
sistema.
El programa del controlador consta de tres secciones que
se muestran a través de un menú (Figura 4).
A: área de superficial de los electrodos
d: distancia entre los electrodos.
La temperatura es medida a través de un sensor DHT11,
este sensor tiene como ventajas que medir la humedad
relativa, aunque por el momento no la medición de esta
variable no es utiliza para una especie de control, puede
visualizarse a través de la interface gráfica, y se le podrá
dar un uso a futuro para mejorar el control.
Los elementos finales de control o actuadores son
elementos que permiten la manipulación de las variables
a través de una acción mecánica, eléctrica, electrónica, o
a través de la apertura de elementos que permitan la
adición de materiales que modifiquen el valor de las
variables a controlar. En este proyecto la humedad en el
suelo es manipulada a través de adición del agua en el
sustrato por medio de riego por goteo, y el elemento que
funciona como elemento final de control para manipular el
flujo de agua del riego es una válvula solenoide .
Los actuadores para el control de temperatura se
componen de una resistencia calefactora, y ventiladores
que permiten dirigir el calor hacia las plantas para
compensar el calor perdido por la caída de temperatura
(Figura 3).
Figura 3. Actuadores del control de temperatura
Figura 4 Menú con las secciones de control
Las secciones fueron diseñadas a partir de las
problemáticas observadas en campo con respecto al riego
de estas especies. Aunque es mostrada una tercera
opción (modo temporizado) esta aún no ha sido
terminada, pero estamos trabajando en la programación
de la misma para emplearla posteriormente, Las
secciones funcionales son un modo manual y un modo
automatico
En el modo manual el accionamiento de las electro
válvulas y de los actuadores son realizadas de modo
manual por medio de botones pulsadores en
configuración pull-up que mandan una señal de digital de
un uno(o estado alto) lógico al arduino, este lee el estado
del botón e inmediatamente envía una señal de estado
alto (uno lógico) a la etapa de potencia para que active la
electroválvula y los actuadores de temperatura. Esta
sección es la más simple del programa y fue diseñada
para su uso posterior a la experimentación con los tres
parámetros, y considerando que hay ocasiones en que las
condiciones climáticas cambia y las plantas tienen que ser
regadas según como las observe el operario con base a
su experiencia con el cultivo de las mismas.
El modo automatico es el modo principal y por el cual fue
diseñado el sistema, en esta sección el usuario establece
el valor de referencia en un intervalo de mínimo y máximo
como límites inferiores y superiores respectivamente. La
asignación del valor de referencia es hecha a través de
perillas selectoras con un valores de 0 a 100 % de
humedad en el suelo, y 0 a 100 °C; las perrillas están
conectadas a potenciómetros que a su vez están
conectados a las entradas analógicas del arduino
Los potenciómetros envían una variación de 0 a 5 volts, y
el controlador hace un mapeo de 0 a 100, esto quiere
decir que el controlador hace una correspondencia de 50
miliVolts a 1 °C y 1% de humedad en el suelo. Cada vez
que aumente el valor del voltaje enviado por el
potenciómetro a 50 mV el valor de referencia aumenta
una unidad (°C o % de humedad) hasta llegar al valor de
referencia que se desea establecer
Una vez establecido los valores de referencia los
sensores detectan el cambio de las variables físicas, el
controlador hace las comparaciones de los valores y
realiza las acciones de control ya mencionadas
anteriormente.
Resultados y Discusión
El prototipo del controlador tiene una mejor funcionalidad
a comparación de lo que fue solicitado previamente,
debido a que el controlador puede ajustarse para
experimentar a distintos valores con un rango de 0 a 100
y no solo a 20%, 40% y 60%, permitiendo realzar
diferentes experimentaciones con la humedad en el suelo.
La integración del modo manual permite que los usuarios
en el invernadero puedan realizar riegos manuales en
caso de que las condiciones climáticas cambien
drásticamente, como es en caso de temporadas frías
donde el riego tiene que ser suspendido y reanudado
cada 15 días o cada vez según la temperatura en el
ambiente, ya que esto puede provocar el congelamiento
de la planta y su muerte, o un estado con sobre humedad
que provoca el brote de hongos en las plantas.
Este trabajo es uno de los primeros prototipos destinados
para el cultivo de la E.Luia y plantas de la familia
Crasulácea, y a comparación con otros sistemas
automatizados empleado en invernaderos, el prototipo no
solo realiza la acción de regar agua en un periodo de
tiempo (que es lo que comúnmente realizan estos
sistemas), también monitorea y mantiene los niveles de
humedad en el sustrato deseados.
Conclusiones
Este prototipo facilita las acciones que son necesarias
para la experimentación de las plantas con los valores de
humedad en el suelo, que es un parte aguas para la
observación y establecer qué valor de humedad favorece
el crecimiento de la E. Lui. El funcionamiento del mismo
no lo limita solo a esta especie de planta por lo que puede
ser usado para experimentar con más especies,
quedando como un antecedente para el desarrollo de más
proyectos que ayuden a la preservación y propagación de
la flora en México.
Referencias
Meyran Garcia, J. Lopez Chávez, L. 2003Genero Echeveria.Las
Crasuláceas de México, 123-201
Diario Oficial de la Federación. 2000. Especificaciones de
Fertilidad, Salinidad y Clasificación, Estudio, Muestreo y Análisis
de los suelos. Norma Oficial Mexicana-59-Secretaria de Medio
Ambiente y Recursos Naturales-2000.(2)17-20
Diario Oficial de la Federación. 2010. Anexo Normativo III Lista
de especies en riesgo, Sección de Plantas. Norma Oficial
Mexicana-21-Secretaria de Medio Ambiente y Recursos
Naturales-2010. 67(3).
Deitel, H.M., Deitel, P.J. .Control de programa. Funciones. Como
Programar en C/C++. (4) 101-180.