2. Fig. 3. Conexión de pines Arduino Mega2560 con otros componentes
Fig. 2. Arquitectura de sistema de invernadero inteligente para cultivo hidropónico
Fig. 4. Diagrama de flujo del programa ESP-01
Fig. 1. Método de investigación
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ventilador, rociador, bomba y válvula. La figura 3 muestra la conexión de los
pines Arduino mega2560 con otros componentes. ESP-01
conexión a través de una conexión Wi-Fi y establece una conexión a la base de
datos en tiempo real en firebase. Después
funciona como un enlace entre Arduino Mega2560 y la base de datos en tiempo
real en firebase.
B. Desarrollo de un sistema de invernadero inteligente
A. Diseño de la arquitectura del sistema de invernadero inteligente
ESP-01 recibe datos del Arduino Mega2560 y los envía a la base de datos en
tiempo real en firebase, luego ESP-01 lee el
La arquitectura de los invernaderos inteligentes para la agricultura hidropónica
consta de un invernadero, controladores de invernadero inteligentes y una
aplicación de invernadero inteligente en el teléfono inteligente Android. La Fig. 2
muestra la arquitectura del sistema de invernadero inteligente para la agricultura
hidropónica. Los parámetros de las condiciones ambientales del invernadero
medidos son la temperatura del aire, la humedad del aire, la temperatura del
agua, el total de sólidos disueltos (TDS), el PH y las condiciones de luz. El
invernadero que hemos desarrollado tiene unas dimensiones de 250 cm de
largo, 210 cm de ancho y 255 cm de alto. Mientras tanto, el actuador controlado
consta de una luz de crecimiento LED para cultivos hidropónicos, un ventilador,
un rociador, una bomba y una válvula.
Los controladores de invernadero inteligentes consisten en sensores de
temperatura y humedad Arduino Mega 2560, ESP-01, DHT11, sensor de
temperatura a prueba de agua DS18B20, fotosensible
datos de estado del actuador de la base de datos en tiempo real en firebase y
los envía al Arduino Mega2560.
sensor de resistencia de luz LDR, sensor analógico TDS (placa + sonda), módulo
de sensor de detección de valor de PH líquido (placa de PH + sonda de electrodo
de PH), luz LED de crecimiento hidropónico,
Fig. 4. Muestra el diagrama de flujo del programa ESP-01. El programa
comienza con el proceso de inicialización, establece una red
336
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3. Fig. 7. Sonda TDS, sonda PH, DS18B20 y bomba.
Fig. 5. Diagrama de flujo del programa Arduino Mega2560
Fig. 8. Controlador Smart Greenhouses en invernadero
Fig. 6. Controlador de invernaderos inteligentes para cultivo hidropónico
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La aplicación de invernadero inteligente de Android desarrollada bajo MIT
App Inventor está vinculada a una base de datos en tiempo real en Firebase.
Esta base de datos en tiempo real se utiliza para almacenar datos en
La figura 6 muestra un controlador de invernadero inteligente para cultivo
hidropónico. La Fig. 7 muestra la sonda TDS, la sonda PH, DS18B20 y la
bomba en un depósito de agua. La Fig. 8 muestra un controlador de
invernadero inteligente en el invernadero.
Hemos desarrollado una aplicación en un teléfono inteligente Android
para monitorear las condiciones ambientales del invernadero, como
temperatura, humedad, condiciones de luz, niveles de TDS y PH. Además,
esta aplicación también se puede utilizar para controlar actuadores como
ventiladores, bombas, lámparas, rociadores y válvulas.
Las condiciones ambientales en el invernadero se muestran en la aplicación
del teléfono inteligente en forma de valores de temperatura en unidades
Celsius, humedad (%), condiciones de luz (oscura o clara), niveles de TDS
en unidades ppm y PH.
estado del actuador y condiciones ambientales en el
La figura 5 muestra el diagrama de flujo del programa Arduino Mega2560.
Usamos una base de datos en tiempo real en Firebase porque es gratis
y tiene altas tasas de transferencia de datos. Firebase es un producto de
Google que tiene muchos servicios para que podamos personalizar y agregar
funciones fácilmente a un proyecto [10]. La Fig. 9 muestra una base de datos
en tiempo real en Firebase que se utiliza para almacenar datos en el
La aplicación de teléfono inteligente Android para monitorear y controlar
el invernadero se creó utilizando la aplicación Inventor del MIT. MIT App
Inventor es una plataforma de creación de aplicaciones móviles que se
puede ejecutar en el sistema Android. Los usuarios pueden arrastrar y soltar
componentes para crear interfaces. Mientras que el flujo del proceso en la
aplicación se ejecuta con un programa creado en un lenguaje de programación
visual basado en bloques [9].
estado del actuador y datos sobre las condiciones ambientales en el
invernadero. La Fig. 10 muestra una aplicación de invernadero inteligente
El programa comienza con el proceso de inicialización del dispositivo LCD y
los sensores utilizados, luego Arduino Mega2560 recibe los datos de estado
del actuador del ESP-01, luego Arduino Mega2560 controla el actuador en
función de los datos de estado del actuador, luego Arduino Mega2560 lee
los datos del sensor y los envía al ESP-01.
invernadero. El estado activo del actuador se indica como "1",
en el teléfono inteligente Android.
y el estado inactivo del actuador se indica como "0".
337
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4. Para saber si el sistema creado funciona correctamente,
realizamos una prueba funcional de cada sensor y actuador que
se utiliza en el sistema de invernadero inteligente. La prueba del
sensor DHT11 en el controlador de invernadero se lleva a cabo
comparando los resultados de medición del DHT11 con el medidor
de temperatura y humedad (HTC-2), con el número de mediciones
tomadas 20 veces. La Fig. 11 y la Fig. 12 muestran los resultados
de las mediciones de temperatura y humedad del DHT11 y
HTC-2. A partir de estos resultados se puede ver que en la
condición inicial el dispositivo está activado, hay una diferencia
significativa en el valor, pero después de unos segundos, el valor
de temperatura entre los dos dispositivos está casi cerca del
mismo valor. El sensor DHT11 ha mostrado la estabilidad
En este estudio, el coeficiente de determinación (R2 ) se usa
para determinar la fuerza de la relación entre dos resultados de
medición de dos dispositivos diferentes [11]. La prueba del sensor
de TDS en el controlador de invernadero se lleva a cabo
comparando los resultados de medición del sensor de TDS con
el medidor de TDS, realizándose el número de mediciones 20
veces. La Fig. 13 muestra la relación entre el valor del sensor de
TDS y el valor del medidor de TDS con el
valores de medición de temperatura y humedad desde que se
activó el dispositivo, mientras que el HTC-2 tarda más en llegar
a los valores estables.
coeficiente de determinación (R2 ) valor de 0,9769 que muestra
una fuerte relación entre el valor del sensor TDS y el valor del
medidor TDS.
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Fig. 9. Base de datos de invernaderos Firebase Smart
tercero RESULTADOS Y DISCUSIONES
Fig. 10. Aplicación de invernadero inteligente en el teléfono inteligente Android
Fig. 12. Mediciones de humedad del DHT11 y HTC-2
Fig. 11. Mediciones de temperatura del DHT11 y HTC-2
Fig. 13. Relación entre el valor del sensor TDS y el valor del medidor TDS
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5. 339
PRUEBA DEL SENSOR DE LUZ
PRUEBA FUNCIONAL DEL CONTROL DEL ACTUADOR
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La prueba del sensor de luz se realiza encendiendo o apagando las luces
y luego observando las condiciones de luz directamente en el invernadero.
contenido en las hojas de las plantas [12]–[16]. En investigaciones anteriores,
desarrollamos un medidor de clorofila basado en IoT para determinar las
deficiencias de nutrientes en las plantas [11].
entre el valor del sensor de PH y el valor del medidor de PH con el valor del
coeficiente de determinación (R2 ) de 0,9424, lo que muestra una fuerte
relación entre el valor del sensor de PH y el valor del medidor de PH.
y observar las condiciones de luz en la aplicación de invernadero en el teléfono
inteligente. La Tabla I muestra la prueba del sensor de luz con un 100% de
éxito.
el invernadero. La Tabla II muestra la prueba funcional del control del actuador
con un 100% de éxito.
La falta de nitrógeno en las plantas puede causar pérdida de rendimiento si
no se corrige de inmediato. El contenido de nitrógeno está relacionado con el
contenido de clorofila, por lo que la deficiencia de nitrógeno en las plantas se
puede conocer a partir del contenido de clorofila en las hojas de las plantas.
sensor con el medidor de PH, realizando el número de mediciones 6 veces. La
Fig. 14 muestra la relación
La prueba funcional del control del actuador se lleva a cabo presionando el
botón de encendido/apagado en la aplicación de invernadero inteligente y
luego observando directamente la condición de encendido/apagado del actuador en
El valor SPAD crítico para diferentes especies de plantas varía, cada planta
tiene un valor SPAD crítico específico en un entorno de crecimiento específico.
El valor crítico de SPAD está influenciado por la etapa de crecimiento, la
variedad de plantas plantadas y las prácticas culturales. Por ejemplo, el umbral
SPAD es 35 para el cultivo de arroz en la estación seca, donde se recomiendan
32 valores SPAD para plantar arroz de semilla húmeda en tiempo nublado o
con poca radiación en Filipinas [17].
Los resultados de la medición de los dos medidores de clorofila mostraron
que las hojas de mostaza en el invernadero tenían un valor de contenido de
clorofila entre 5,65 y 6,94 (en unidades CCI) o entre 33,23 y 40,12 (en unidades
SPAD). Con base en la clasificación del estado de nitrógeno reportada por
Prabowo et al [18], el valor del contenido de clorofila de las plantas de mostaza
en el sistema de invernadero muestra un estado de nitrógeno bajo, es necesario
agregar nutrientes adicionales al agua utilizada en el sistema de cultivo
hidropónico. .
La prueba del sensor de PH en el controlador de invernadero se lleva a
cabo comparando los resultados de medición del PH
El medidor de clorofila es un dispositivo que se utiliza para medir la clorofila
En este estudio, la medición del contenido de clorofila en hojas de mostaza
de cultivo hidropónico en invernaderos se llevó a cabo utilizando un medidor
de clorofila SPAD-502 y un medidor de clorofila basado en IoT en 6 posiciones
diferentes, luego se tomó el valor promedio de los 6 valores de contenido de
clorofila. . La Fig. 15 muestra la medición del contenido de clorofila en las hojas
de plantas de mostaza cultivadas en un invernadero. La Fig. 16 muestra los
resultados de las mediciones del contenido de clorofila en hojas de mostaza
cultivadas en invernaderos utilizando SPAD-502 y un medidor de clorofila
basado en IoT.
En
Bomba
X
Brillante
Apagado
Apagado
Botón
En
X
TABLA I.
solicitud
X
ÿ
solicitud
ÿ
Apagar
TABLA II.
Apagado
ÿ
Oscuro
En
En
Pulverizador
X
Botón
ÿ
X
En
X
Estado de la lámpara en
el invernadero.
X
Fig. 15 Medición del contenido de clorofila de las hojas de mostaza con un medidor de clorofila
SPAD-502 y un dispositivo medidor de clorofila basado en IoT
Botón ÿ
Estado del actuador en el
invernadero
Apagado
ÿ
Lámpara
ÿ
X
Fig. 16. Relación entre valor SPAD y valor CCI
Invernadero inteligente
Apagado
Invernadero inteligente
Apagado
ÿ
X
ÿ
Brillante
Admirador
Una condición de luz en
el invernadero.
Fig. 14. Relación entre el valor del sensor de PH y el valor del medidor de PH
X
Botón
ÿ
ÿ
Una condición de luz en
En
Válvula
ÿ
X
Oscuro
Botón
Encender
X
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6. Licencia de uso autorizada limitada a: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Descargado el 3 de julio de 2022 a las 06:45:30 UTC de IEEE Xplore. Se aplican restricciones.
CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTURO
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Solutions", 19.ª Conferencia internacional sobre ciencias y técnicas de control
automático e ingeniería informática, STA 2019, págs. 106–111, 2019.
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Congreso Internacional de Ciencia e Ingeniería de Sistemas, ICSSE 2018, 2018.
Kragujevac Revista de Ciencias, vol. 31, págs. 69–74 ,
RECONOCIMIENTO
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Conferencia internacional IEEE de 2018 sobre sistemas, computación, automatización
y redes, ICSCA 2018, 2018, núm. 1997, págs. 1 a 4.
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[14] Biljana Bojoviÿ y Aca Markoviÿ, "Correlación entre nitrógeno
[18] RY Prabowo, Rahmadwati y P. Mudjirahardjo, "Clasificación del contenido de nitrógeno
basado en el color de la hoja a través de la agrupación de colores usando el método
Fuzzy C Means", Journal of EECCIS (Electrics, Electronics, Communications,
Controls, Informatics,
[13] H. Andrianto, Suhardi y A. Faizal, “Detection of Chlorophyll
[17] MM Ali, A. Al-Ani, D. Eamus y DKY Tan, "Determinación de nitrógeno foliar utilizando
técnicas no destructivas: una revisión", Journal of Plant Nutrition, vol 40, no. 7, págs.
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MIT App Inventor para recopilar y analizar datos de sensores", Actas - Conferencia
internacional IEEE 2019 sobre Big Data, Big Data 2019, págs. 6157–6159 , 2019.
Conferencia sobre Ciencia y Tecnología de la Conciencia, iCAST 2017, vol.
Mohd Soom, "Dinámica de la clorofila y el nitrógeno de las hojas y su relación con el
rendimiento del arroz de tierras bajas para el manejo del arroz en áreas específicas"
[11] H. Andrianto, Suhardi y A. Faizal, "Evaluación del rendimiento del medidor de clorofila
basado en iot de bajo costo", Boletín de Ingeniería Eléctrica e Informática, vol. 9,
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invernadero con ESP8266 NodeMCU", Actas
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Conferencia internacional IEEE de 2016 sobre tendencias recientes en electrónica,
tecnología de la información y la comunicación, RTEICT 2016 - Actas, págs. 246 –
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[10] S. Sarkar, S. Gayen y S. Bilgaiyan, "Sistemas de seguridad para el hogar basados en
Android que utilizan Internet de las cosas (IoT) y Firebase", Actas de la Conferencia
internacional sobre investigación inventiva en informática
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en la etapa de crecimiento de la unión”, Procesamiento de la información en la
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Sudantha, "Invernadero de bajo costo y basado en IoT con sistema de control y
monitoreo climático para países tropicales", 2018
y contenido de clorofila en trigo (Triticum aestivum L.)”,
Sistema), vol. 12, núm. 1, págs. 1 a 8, 2018.
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[4] G. Dbritto y S. Hamdare, "Un diseño de sistema basado en IA para desarrollar y
monitorear una granja hidropónica", Conferencia internacional de 2018 sobre
ciudades inteligentes y tecnología emergente, ICSCET 2018, 2018.
Contenido basado en propiedades espectrales a nivel de hoja: un metaanálisis”, en
Conferencia internacional sobre innovación y sistemas de tecnología de la
información de 2018, 2018, págs. 364–369.
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de 2019 IEEE 3.° Tecnología de la información, Redes, Electrónica
[12] H. Andrianto, Suhardi y A. Faizal, "Medición del contenido de clorofila para determinar
la deficiencia nutricional en las plantas: una revisión sistemática de la literatura", en
la Conferencia internacional sobre sistemas de tecnología de la información e
innovación de 2017, 2017, págs. 392–397 .
Procesamiento de la información en la agricultura, vol. 4, núm. 4, págs. 259–268, 2017.
[7] R. Rayhana, G. Xiao y Z. Liu, "Internet de las cosas empoderadas para la agricultura
inteligente en invernaderos", IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 4,
núm. 3, págs. 195–211, 2020.
funcionando correctamente, que puede medir la temperatura, la
humedad, el TDS, el PH y las condiciones de luz. Además, las
condiciones de encendido/apagado de actuadores como ventiladores, bombas, luces,
El coeficiente de determinación entre los resultados de la medición del
sensor de PH y el medidor de PH muestra un valor de 0.9424 que
muestra una fuerte relación entre el valor del sensor de PH y el valor
del medidor de PH. El estado de nitrógeno de las plantas de mostaza
en cultivo hidropónico en un sistema de invernadero inteligente se
conoce a partir del contenido de clorofila medido con dos dispositivos
medidores de clorofila. Los resultados de la medición del contenido de
clorofila mostraron que el estado de nitrógeno de la planta de mostaza
estaba en la categoría baja, por lo que necesitaba nutrientes adicionales.
En nuestro trabajo futuro, desarrollaremos una plataforma de sistema
informático de servicio para invernaderos inteligentes con varias
características de servicio.
Hemos desarrollado con éxito un invernadero inteligente basado en
IoT para la agricultura hidropónica. El resultado ha demostrado que el
sistema de invernadero inteligente para la agricultura hidropónica es
El rociador y la válvula se pueden controlar a través de la aplicación
del teléfono inteligente. El coeficiente de determinación entre los
resultados de la medición del sensor de TDS y el medidor de TDS
muestra un valor de 0,9769 que muestra una fuerte relación entre el
valor del sensor de TDS y el valor del medidor de TDS. los
Los autores desean expresar su agradecimiento al Institut Teknologi
Bandung por el apoyo financiero brindado. Gracias también a
Universitas Kristen Maranatha por financiar becas.
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