ITEM7 (1).pdf

a
Esto constituye una solución eficaz para el cultivo de cultivos altamente eficientes, de buena calidad y libres de enfermedades.
La agricultura ha sido una de las principales ocupaciones del hombre
desde los inicios de la civilización. La agricultura juega un papel importante en
el desarrollo de la economía de las naciones y se considera una parte esencial
del ciclo de vida humano (Nalwade & Mote, 2017).
ACHPA controla los parámetros ambientales, es decir, la temperatura, la
humedad y la humedad del suelo mediante sensores colocados a distancias
convenientes y un controlador centralizado para lograr un ambiente controlado
para la producción de cultivos. Los rangos operativos de los parámetros
ambientales a controlar están prealimentados en el controlador. Los parámetros
ambientales recibidos de los sensores se comparan con los valores
prealimentados para controlar la acción. Los resultados sugieren fuertemente
el uso de parámetros ambientales de control ACHPA de una mejor manera, lo
que resulta en un aumento del rendimiento de los cultivos.
La tendencia hacia la agricultura en túnel y los sistemas hidropónicos está aumentando debido a los cambios climáticos, así como a la necesidad de aumentar
el rendimiento de los cultivos. La hidroponía es una técnica de cultivo de plantas sin suelo. El cultivo en túnel y el sistema hidropónico requieren parámetros
ambientales controlados como temperatura, humedad y humedad del suelo para una mejor producción de cultivos. Este artículo presenta un método efectivo,
denominado esquema ACHPA (Agricultura Hidropónica Controlada Automáticamente) que monitorea y controla los parámetros ambientales usando sensores
y un controlador. ACHPA proporciona un mejor control ambiental sobre el monitoreo y control manual tradicional, por lo que produce cultivos de alta calidad.
El sistema de monitoreo y control basado en sensores regula la temperatura y la humedad del túnel para mejorar el rendimiento. En aras de ahorrar agua, se
implementa un método eficiente de riego por goteo que entrega agua directamente a las plantas en lugar de ser rociada como en el método de cultivo
convencional. El sistema propuesto aquí se prueba para un ambiente controlado y las observaciones se registran para fines de análisis de cultivos.
Luego se introdujo la agricultura/hidroponía en túnel automatizada para
superar los problemas que ocurrían con el control manual.
Estos parámetros son los principales responsables del desarrollo de las plantas
y juegan un papel importante en la calidad y la productividad.
Resumen
Aplicación práctica: hidroponía automatizada y agricultura en túnel.
Los parámetros ambientales, es decir, la temperatura, la humedad, la
humedad del suelo y la luz, influyen directamente en la producción de las plantas.
El suelo es el medio más accesible y ampliamente utilizado para la
producción de cultivos porque transfiere suplementos, es decir, agua de
manera eficiente y atraca para el desarrollo, pero el gran uso de pesticidas en
las cosechas trajo poca fructificación en el suelo. La hidroponía es la técnica
de cultivo de plantas sin suelo (Siddiqi, 2002). Las raíces sumergidas en
solución hidropónica (Matos et al., 2015), con o sin el uso de medios latentes
como Rockwool y fibra de coco (Mohanraj I, 2016), reciben una nutrición
balanceada, esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas (Hirofumi
Ibayash et al., 2016).
Las agencias de financiación como SMEDA y USAID han llevado a cabo
algunas investigaciones experimentales sobre el cultivo de sandías, manzanas,
melones, tomates y pepinos mediante la agricultura en túnel. Los resultados
varían de un país a otro, pero han mostrado expansión en el crecimiento en la
mayoría de los casos. Las industrias alimentarias están experimentando
transiciones tecnológicas debido al aumento de la población mundial y la falta
de disponibilidad de tierras fértiles de bajo costo. Estas transiciones incluyen
la agricultura en túnel para el crecimiento fuera de temporada y en
pretemporada, la agricultura vertical para las grandes ciudades y la horticultura
doméstica para satisfacer las necesidades individuales.
Palabras clave: hidroponía; control ambiental; sensores; controlador; rendir.
En los últimos años, el mundo se ha enfrentado a un cambio climático drástico
que ha resultado en un aumento de las tensiones ambientales, como
inundaciones prematuras, cambios en las temperaturas estacionales y
despachos de viento. Estos cambios han afectado el campo de la agricultura
con disminución de la producción y calidad de los cultivos. Para 2050, se
estima que la población mundial será de 9 mil millones, lo que aumentará la
necesidad de alimentos en un 70% (Collado et al., 2018). Uno de los
mecanismos utilizados por la industria alimentaria para superar este déficit en
el rendimiento es el uso de cultivos en túnel/agricultura hidropónica donde se
controlan parámetros ambientales como la temperatura, la humedad y la
humedad del suelo. La producción en ambiente controlado implica técnicas de
cultivo más sofisticadas que el cultivo sin protección en el campo (Saha, 2017).
Los resultados del software Design Expert mostraron que la altura de las
plantas crece más rápido en el sistema hidropónico en comparación con el
sistema de suelo tradicional (Gashgari et al., 2018).
Aceptado el 28 de septiembre de 2019
*Autor para correspondencia: engr.mot@gmail.com
1Departamento de Ingeniería Eléctrica, Instituto de Ingeniería y Tecnología de Pakistán, Multan, Pakistán
Recibido el 12 de junio de 2019
2Departamento de Ciencias Básicas, Instituto de Ingeniería y Tecnología de Pakistán, Multan, Pakistán
ISSN 1678-457X (en línea)
Ciencia y Tecnología de los Alimentos
671/680 671
ISSN 0101-2061 (Imprimir)
ciencia de la comida Technol, Campinas, 40(3): 671-680, julio-septiembre. 2020
ACHPA: Un sistema basado en sensores para el control ambiental automático en hidroponía
DOI: https://doi.org/10.1590/fst.13319
Muhammad Owais TARIQ1 * ÿ, Anum ZEHRA2 ,
1. Introducción
Asif SIDDIQ1 , Salman MALIK1
Durante muchos años, el sistema hidropónico se controló
manualmente, lo que resultó en una baja productividad de los cultivos
debido a un método ineficiente y un control inadecuado de los parámetros ambientales
Machine Translated by Google

672 672/680 ciencia de la comida Technol, Campinas, 40(3): 671-680, julio-septiembre. 2020
Control ambiental automático para hidroponía
2. Materiales y métodos
El diseño del controlador es un tema importante en las tecnologías automáticas.
El cultivo en túnel controlado automatizado y el sistema hidropónico ayudan
a superar los problemas que ocurren con el control manual y el cultivo
tradicional. La agricultura de ambiente controlado (CEA) complementa la
producción y la calidad de los cultivos protegiéndolos de plagas,
enfermedades y manteniendo las condiciones de crecimiento (Niu &
Masabni, 2018).
En el método convencional de cultivo en túnel, el agricultor tiene que
ir a la granja regularmente para verificar y medir los parámetros ambientales
(Kumar & Cho, 2014), lo que requiere una enorme cantidad de trabajo duro
y atención, algo de negligencia, también puede resultar en mala calidad y
baja calidad. productividad (Asolkar & Bhadade, 2015).
El sistema estaba equipado con sensores y sistema de monitoreo.
(Adhau et al., 2017) trabajaron en el diseño de un sistema hidropónico de
fundición baja totalmente automatizado en el que se desarrolló un sistema
automatizado autocontrolado para importar datos en tiempo real utilizando
un microcontrolador AVR. Según él, el progreso en hidroponía con solo usar
un controlador de encendido y apagado es suficiente, en este sentido no se
requiere un controlador PID. (Dania et al., 2015) proporcionó un sistema de
automatización de alimentación de nutrición basado en Arduino para la
técnica de película de nutrientes a escala, cuyo objetivo es proporcionar
agua y nutrientes de forma automática a las raíces de las plantas. Sin
embargo, tal suministro de agua directo a las raíces crea un problema de
pérdida de agua, el riego por goteo da mejores resultados para ahorrar
agua. (Burchi et al., 2018) diseñaron un invernadero de alta tecnología para
manejar un ambiente controlado de manera eficiente para diferentes cultivos.
La temperatura influye en el proceso de desarrollo de las plantas,
como la transpiración, la respiración y la floración. La humedad controla la
pérdida de humedad de la planta porque una disminución en la tasa de
transpiración es directamente proporcional a la cantidad de humedad en el
aire (Asolkar & Bhadade, 2015). La humedad del suelo es esencial para el
crecimiento de las plantas porque las plantas reciben agua y nutrientes de
las raíces y pierden agua por el proceso de transpiración. Las plantas
fabrican glucosa a través del proceso de fotosíntesis, que requiere energía,
la cual es capturada directamente de la luz (Asolkar & Bhadade, 2015).
Este documento consta de las siguientes secciones: La sección 2
explica los materiales y la metodología del sistema propuesto. La sección 3
explica el análisis y los resultados experimentales. La sección 4 resume los
resultados y la conclusión generada por el sistema propuesto.
Además, la técnica de riego por goteo suministra poca agua a las raíces de
las plantas, lo que finalmente ahorra una gran cantidad de agua (Rammurthy,
2010), (Singh & Bansal, 2011), (Aniket Hade & Sengupta, 2014). El agua
se suministra con frecuencia, a menudo diariamente, para mantener la
condición de humedad del suelo con un uso adecuado de los recursos
hídricos (Shweta Bopshetty, 2017), (Sales et al., 2015). El sistema de riego
por goteo hace un uso eficiente del agua porque el agua se alimenta
directamente a las raíces de las plantas con pérdidas bajas o nulas (Agrawal
& Singhal, 2015), (Hussain et al., 2013).
En la segunda etapa, el controlador lee los datos enviados por los
sensores y ordena al actuador para mantener un clima controlado para los
cultivos. En la etapa 3, para superar los efectos de la alta temperatura, se
requiere una ventilación adecuada para que los ventiladores se enciendan.
Las plantas hidropónicas tienen varios tipos de medios de siembra
como Rockwell, esponja, coco y otros polvos de coco (Sihombing et al.,
2017), (Velazquez et al., 2013). Los beneficios clave de la tecnología
hidropónica incluyen la reutilización del agua y el bajo daño a las plantas
debido al uso controlado de pesticidas (Mr & Kulkarni, 2017).
La primera etapa en el desarrollo del sistema es la identificación de los
requisitos del sistema. En esta etapa, se analizan los datos del sensor, a
saber, DHT11 (sensor de temperatura y humedad). Luego, estos valores se
envían al controlador para su procesamiento.
Esta sección explica los métodos y procesos utilizados en el desarrollo
del sistema como se muestra en la Figura 1. Se completa en cuatro etapas,
etapa 1: análisis de datos, etapa 2: comando del controlador, etapa 3:
implementación del sistema y etapa 4: revisión de datos previamente
almacenados.
(Asolkar & Bhadade, 2015) dieron un método efectivo para controlar el
invernadero y el monitoreo de cultivos utilizando GSM, proponiendo un
método efectivo para reemplazar la agricultura tradicional.
Sin embargo, el proyecto fue solo para pequeña escala y no probado para
gran escala. (Saraswathi et al., 2018) trabajaron en la automatización del
sistema hidropónico de invernadero y el mantenimiento del PH y la
conductividad eléctrica en el sistema hidropónico. Esto también se
implementa solo para la pequeña escala.
Debido a los problemas de la hidroponía manual, la hidroponía
controlada automatizada se ha discutido en muchos artículos y sigue siendo
un campo de investigación abierto.
Una revisión exhaustiva del trabajo anterior muestra que solo hay unos
pocos estudios sobre el seguimiento y el control de la agricultura en túnel y
la unidad hidropónica. La discusión anterior describió la implementación de
la unidad de control solo en un área remota, el costoso método de control
usando un controlador PID implementado solo a pequeña escala y las
pérdidas de agua usando un simple suministro de agua a los cultivos. El
documento actual considera estos problemas y propone un enfoque eficiente
para el mecanismo de monitoreo y control para un sistema hidropónico
completamente automatizado.
Solo para un área de control remoto, que es difícil de establecer.
(Nishimura et al., 2018) proporcionó un módulo sensor de alta precisión y
bajo costo para medir la temperatura y el nivel de nutrición.
El controlador de encendido y apagado, PID o combinaciones de estos
términos (P, PI y PD) se utilizan con mayor frecuencia en control de posición
industrial, robótica y accionamiento de motores (Jahanshahi, 2015), (Ponce
et al., 2015), (Reyes & Rosado , 2005), (Sondhi & Hote, 2014), (Jingzhuo et
al., 2014), (Can & Ozguven, 2017). Los controladores PID (Ziegler &
Nichols, 1940), (Haglund, 1988, 1995) son ampliamente utilizados en los
sistemas de control industrial porque los controladores PID tienen la
capacidad de eliminar el error de estado estable de las señales (Matos,
2002). El controlador PID proporciona una acción de control suave, salida
numérica y hace que el sistema sea estable (Adhau et al., 2017).
Figura 1. Diagrama de bloques.

673/680 673
Siddiq et al.
Tabla 1. Promedio de Observación de Campo (Día 1).
Figura 2. Diagrama de flujo para el proceso de diseño del sistema.
3. Resultados y discusión
El controlador después de verificar el estado actual de los ventiladores (F=0)
encenderá los ventiladores cambiando el estado a F=1. El controlador volverá
a comprobar el valor de la temperatura cada 2 minutos. Si F=1 y la temperatura
es superior a 37 °C, el controlador no hará nada y el ventilador permanecerá
encendido. Si F=1 y la temperatura llega a ser igual o inferior a 37 °C, el
controlador apagará el ventilador haciendo F=0 en la variable de software F. El
procedimiento da un rango de 3 °C para el control ON-OFF. Se adopta un
procedimiento similar para el control de la humedad con la variable H en el
software.
y los valores agrícolas controlados automáticamente están programados para
leerse cada dos minutos. Los valores de temperatura y humedad se han tomado
8 horas por día (luz del día), a diferentes temperaturas atmosféricas en
diferentes días. Los resultados se simulan usando MATLAB. Los valores umbral
de temperatura y humedad se describen a continuación.
La Tabla 1 muestra los datos del día 1 con rango de temperatura de 33 a
43 °C y el gráfico de comportamiento se muestra en la Figura 3 y Figura 4.
Los datos recopilados por los sensores se almacenan para evaluar el
crecimiento con condiciones climáticas reguladas. Permitirá a la parte interesada
monitorear continuamente el sistema de cultivo. Un gráfico básico del proceso
se muestra en la Figura 2 a continuación.
ON y después de regular la temperatura; se les ordena que se apaguen.
Además, para mantener la humedad del agua adecuada para las raíces; Las
bombas de agua del sistema de riego por goteo se regulan según las lecturas
recibidas de los sensores de humedad.
La pantalla LCD adjunta muestra todos los valores actuales de temperatura,
humedad y humedad del suelo.
El valor umbral de humedad = 55 a 60%
Día 3
El valor umbral de temperatura = 37 a 40 °C
Dia 2
Para comprender mejor el funcionamiento del sistema, suponga que los
ventiladores están inicialmente apagados y que la temperatura del túnel supera
el valor umbral preestablecido, es decir, más de 40 °C.
Día 4
En este artículo, se diseña un sistema para verificar y comparar la
diferencia entre el túnel de control manual y el túnel de control automático para
los valores variados y regulados de temperatura y humedad. Los valores de
seguimiento de la granja controlada manualmente se toman cada treinta minutos.
Día 1
En caso de que las variables de temperatura y humedad compitan, se da
prioridad a la temperatura sobre la humedad, ya que la temperatura juega un
papel más importante que la humedad en el rendimiento del cultivo. La humedad
se controla mediante un temporizador. Tan pronto como la humedad se detecta
por debajo del 96 %, las bombas comienzan a suministrar agua durante tres minutos.
La Tabla 4 muestra los datos del día 4 con Rango de temperatura de 35 a
43
Parámetros
4
Dakota del Sur
Humedad (%)
Tiempo (h.) 0
Mediana
55
74.5
58.5
8
máx.
mínimo
63
2.06
75
4.5
Distancia (pies)
97.5
0
La humedad del suelo (%) 95
Temperatura (°C)
150
38
33
3.53
100
Día 1
3.53

8
máx.
75
96
Tiempo (h.)
Distancia (pies)
máx.
38
Parámetros
0
74.5
Temperatura (°C)
Humedad (%)
Temperatura (°C)
8
34
Mediana
150
Dakota del Sur
0
Parámetros
Distancia (pies)
3.53
98
2.06
63
35
57.5
mínimo
Humedad (%)
30
La humedad del suelo (%)
0
32.5
42
Dakota del Sur
3.53
1.58
4
95
3.53
Dia 2
97.5
63
Día 3
4
mínimo
55
150
Tiempo (h.)
58.5
4.52
2.06
53
0
Mediana
100
75
3.53
74.5
100
Figura 4. Tiempo vs. Humedad (Día 1).
Figura 3. Tiempo vs. Temperatura (Día 1).
Dia 5
La Tabla 6 muestra los datos del día 6 con rango de temperatura
de 33 a 43 °C y el gráfico de comportamiento se muestra en la Figura
13 y Figura 14.
La Tabla 5 muestra los datos del día 5 con rango de temperatura
de 33 a 43 °C y el gráfico de comportamiento se muestra en la Figura
11 y Figura 12.
Día 6
En los gráficos, hay diferentes valores de temperatura y humedad
en diferentes días y horas. Después de la comparación entre los valores
manuales y del controlador, se concluye que en el control manual, los
valores de los parámetros ambientales varían mucho y se resumen en
la Tabla 7. Esta variación de temperatura o humedad en el control
manual crea un problema para mantener la condición ambiental
requerida para cultivos afectando así la calidad y el rendimiento.

Siddiq et al.
ciencia de la comida Technol, Campinas, 40(3): 671-680, julio-septiembre. 2020 675/680 675

676 676/680
Figura 9. Tiempo frente a temperatura (Día 4).

Siddiq et al.
ciencia de la comida Technol, Campinas, 40(3): 671-680, julio-septiembre. 2020 677/680 677
máx.
3.53
2.06
43
97
59
8
Humedad (%)
Dakota del Sur
75
0
0
Distancia (pies) 0
45
Parámetros
74.5
3.53
63
97
150
4
Humedad (%)
150
50
33
Día 4
5.02
Dakota del Sur
Mediana
40
Mediana
61
Parámetros
74.5
mínimo
99
La humedad del suelo (%) 94
56
máx.
5.02
4.5
Tiempo (h.)
3.53
Distancia (pies)
55.5
38
100
mínimo
Temperatura (°C)
8
35
4
Temperatura (°C)
75
0
95
Dia 5
2.38
Tiempo (h.)
La Tabla 8 resume el porcentaje de tiempo durante el cual los
parámetros ambientales han excedido los valores umbral.
Es evidente que ACHPA redujo significativamente el tiempo de variación
porcentual mostrando un mejor control. ACHPA mejoró el 22 % del tiempo
de variación total de la muestra para la temperatura, lo que brinda un mejor
control de la temperatura 5X. Se mejora la variación de la humedad.
en un 30 %, lo que proporciona un control de la humedad 6 veces mayor
en comparación con el control manual. El exceso de temperatura y
humedad se redujo del 7,5 % al 1 %, lo que brinda un control 7 veces
mayor. El sistema propuesto verifica los valores de los parámetros a través
de sensores y regula los actuadores para mantener el rango de umbral,
brindando un excelente control sobre los parámetros ambientales.

678 678/680
Tabla 7. Comparación entre valores manuales y del controlador.
58
32
55
33
Día 4
51
58
41
81
61
63
100
37
40
37
Humedad (%)
mínimo
64
32
100
56
55
mínimo
3.53
55
37
mínimo
Valores manuales
Dia 5
78
58
máx.
40
Día 6
35
95
temperatura (°C)
55
34
75
Dia 2
Parámetros
3.42
58
máx.
43
Tiempo (h.)
37
56
100
Día 3
mínimo
86
Mediana
40
57
41
55
35
63
95
2.06
30
100
máx.
Distancia (pies)
63
100
50
Humedad (%)
37
mínimo
95
Días/
0
59
58
55
30
Dakota del Sur
42
máx.
100
Parámetros
61
máx.
75
40
Día 1
58
40
Humedad (%)
83
máx.
55
95
4.3
55
43
8
89
95
62
máx.
74.5
97.5
37
mínimo
95
58
40
Día 6
67
95
Temperatura (°C)
150
53
Valores del controlador
100
61
55
81
33
mínimo
4
35
temperatura (°C)
0

Siddiq et al.
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isatra.2014.05.022. PM medio: 24957274.
Control
Manual
5,41%
7,5%
Control
Variación de temperatura
1%
22%
Parámetro
Automático
5,62%
Diferencia
Excederse 6,5%
PM medio: 24838258.
Porcentaje
Variación de humedad 30%
36,2%
27,5%
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Referencias
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Se propone el sistema de control automático basado en tecnología
de sensores y actuadores, que está diseñado y aplicado para realizar
un sistema agrícola moderno. El sistema de módulo de sensor con un
controlador está desarrollado para un sistema hidropónico, para medir
y controlar la temperatura, la humedad y la humedad del suelo.
El sobreimpulso en los valores es del 7,5 % y el 1 % en granjas controladas
manualmente y automáticamente, respectivamente, lo que da un control 7
veces mayor con ACHPA.
Luego de un análisis completo de la granja controlada manual y
automáticamente, se concluye que la variación de temperatura registrada fue
de 27,5% y 5,4% respectivamente. Por lo tanto, es posible un control 5X mejor
usando ACHPA. La variación de la humedad es del 36,2 % y del 5,6 % para
granjas controladas manualmente y automáticamente, respectivamente, lo
que da como resultado un control 6 veces mejor con ACHPA.
El sistema de módulo basado en sensor se prueba y el rendimiento del
sistema fue aprobado por los resultados experimentales. Las pruebas, el
análisis y los resultados experimentales exploran que es una buena solución
para superar los problemas ocurridos por el control manual. Además, examina
una solución confiable para mantener las condiciones climáticas adecuadas
para los parámetros ambientales, lo que se traduce en un aumento del
rendimiento, la calidad y una producción de cultivos libre de enfermedades.
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