Tesis / 0041 / I.M.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL PARA PROCESO DE PRODUCCIÓN DE TENEBRIO MOLITOR Y LOMBRIZ DE TIERRA

EDGAR MAURICIO BELLO LAMPREA LADY DIOCELINA GOMEZ RAMIREZ

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2015

DISEÑO Y COSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL PARA PROCESO DE PRODUCCION DE TENEBRIO MOLITOR Y LOMBRIZ DE TIERRA

EDGAR MAURICIO BELLO LAMPREA LADY DIOCELINA GOMEZ RAMIREZ

TRABAJO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR AL TÍTULO DE PROFESIONAL EN INGENIERÍA MECATRÓNICA

DIRECTOR: PAOLA ZAMBRANO GARCIA INGENIERA MECATRÓNICA

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2015

Nota de Aceptaci贸n _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________

_________________________________ Firma del presidente del Jurado

_________________________________ Firma del Jurado

DEDICATORIA Este trabajo se lo dedicamos primordialmente a Dios porque sin ĂŠl no serĂ­a posible nada de esto y a nuestros padres por el apoyo incondicional, porque gracias a ellos estamos hoy culminando una carrera profesional.

2

AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero agradecerle a Dios por la sabiduría, la paciencia y por permitirme culminar esta etapa de mi vida satisfactoriamente, además por darme la oportunidad de haber sacado este proyecto adelante y sobrepasar todos los inconvenientes que se presentaron en el camino.

A mis padres Raúl y Gloria quiero agradecerles por su ayuda incondicional, por sus esfuerzos para sacarme adelante, por el apoyo que me brindaron en la realización de este proyecto y por ser esas personas que siempre estuvieron hay para darme una voz de apoyo y un consejo.

A mis hermanas Sandra y Catherine porque a pesar de todos los inconvenientes siempre pude contar con ellas.

A mi abuela Marina por el apoyo incondicional y porque de no ser por ella y mis padres no sería la mujer que soy y la futura profesional que voy a ser, gracias por la oraciones y por siempre estar ahí para mí.

A mis docentes por los conocimientos transmitidos en toda la carrera en especial al profe Andrés Ramírez que fue la persona que nos motivó a realizar este proyecto y nos ayudó con la realización del mismo, a la ingeniera Paola Zambrano que tomo nuestro trabajo y se comprometió a ayudarnos a culminarlo de la mejor manera, a la ingeniera Melisa Bautista que nos brindó su ayuda cuando no teníamos tutor, al Ingeniero Gonzalo Jiménez que fue quien nos dio la oportunidad de hacer este proyecto y al Ingeniero Julio C. Rubio que fue la persona que nos apoyó y nos asesoró.

A Yesica Sepúlveda y Miguel Bonilla estudiantes de la facultad de Zootecnia, por su colaboración con la información sobre el estudio del tenebrio molitor y en general a todas esas personas que hicieron parte de nuestro trabajo.

A mi novio y compañero de tesis Mauricio Bello por estar siempre incondicionalmente desde el inicio, por la paciencia en mis momentos de desesperación, por motivarme siempre a seguir adelante y por estar en las buenas y en las malas para mí. Gracias por compartir conmigo y por darme tranquilidad en los momentos más duros de nuestro trabajo.

LADY G.

3

Inicialmente quiero agradecer a Dios por haberme brindado las herramientas y la posibilidad de haber emprendido esta carrera, por guiarme en todas las decisiones que tome en el transcurso de mi carrera profesional y por bendecirme en esta etapa tan importante de mi vida.

A mi familia por haberme apoyado de forma incondicional a lo largo de esta carrera, en especial a mis padres porque gracias a ellos pude sacar mi carrera adelante además de formarme e inculcarme los valores con lo que me identifico hoy en día.

A la universidad y a los docentes que tuvieron algo que ver con mi formación académica ya que gracias a estos conocimientos que me transmitieron pude culminar con éxito mi carrera.

Al ingeniero Andrés Ramírez por habernos asesorado a lo largo nuestro proceso académico y en especial por habernos motivado a emprender este proyecto. A la ingeniera Melisa por habernos guiada en el momento más crítico de nuestra tesis.

A la ingeniera Paola Zambrano por haber creído en nosotros y en nuestro proyecto y por habernos ayudado de forma incondicional. Al ingeniero Julio C. Rubio por habernos asesorado y ayudado a lo largo del desarrollo del proyecto. Al ingeniero Gonzalo Jiménez por habernos dado la oportunidad de desarrollar la tesis en uno de sus proyectos.

A Yesica y Miguel por habernos brindado la posibilidad de trabajar en su tesis que posteriormente se convertiría en la base fundamental para el desarrollo de nuestra tesis.

A Lady Gómez mi novia y compañera de tesis la cual me ha brindado su apoyo incondicional en los momentos más críticos de mi vida. Por ser mi motivación y sobre todo por creer en las cosas que emprendo. Gracias por ayudarme a crecer personal y profesionalmente.

EDGAR B.

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TABLA DE CONTENIDO LISTA DE TABLAS .................................................................................................. 8 LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ 9 LISTA DE ECUACIONES ...................................................................................... 11 LISTA DE ANEXOS ............................................................................................... 12 GLOSARIO ............................................................................................................ 13 RESUMEN ............................................................................................................. 15 ABSTRACT ............................................................................................................ 16 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 17 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 19 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 19 1.2. OBJETIVOS.............................................................................................. 19 1.2.1.

Objetivo General ....................................................................................................... 19

1.2.2.

Objetivos Específicos................................................................................................. 19

1.3. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 20 1.4. ALCANCE ................................................................................................. 20 2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................. 21 2.1. ANTECEDENTES ..................................................................................... 21 3. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 22 3.1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE TENEBRIO MOLITOR ...................... 22 3.1.1.

Generalidades ........................................................................................................... 22

3.1.2.

Anatomía ................................................................................................................... 22

3.1.3.

Ciclo de Vida .............................................................................................................. 23

3.1.4.

Beneficios y usos ....................................................................................................... 24

3.2. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LOMBRICES .................................... 25 3.2.1.

Generalidades ........................................................................................................... 25

3.2.2.

Ciclo de vida .............................................................................................................. 25

3.2.3.

Beneficios y usos ....................................................................................................... 26

3.3. CONDICIONES DE TEMPERATURA....................................................... 26 3.3.1.

Efecto de la temperatura para tenebrio molitor y lombriz de tierra........................ 27

5

3.3.2.

Transferencia de calor............................................................................................... 27

3.3.3.

Pérdidas de temperatura .......................................................................................... 29

3.3.4.

Sistemas de Calefacción ............................................................................................ 29

3.4. HUMEDAD ................................................................................................ 31 3.4.1.

Humedad para la lombriz de tierra ........................................................................... 31

3.4.2.

Tipos de riego ............................................................................................................ 31

3.5. FOTOPERIODO ....................................................................................... 32 3.5.1.

Efecto del fotoperiodo en el tenebrio molitor y en la lombriz de tierra .................. 32

3.6. CAMARAS DE AMBIENTE CONTROLADO EN LA INDUSTRIA ............. 33 3.6.1.

Cámara de ambiente controlado Serie-E .................................................................. 33

3.6.2.

Estufa de secado ....................................................................................................... 34

3.6.3.

Germinador Serie-G .................................................................................................. 35

3.7. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DEL TENEBRIO MOLITOR Y LA LOMBRIZ DE TIERRA ....................................................................................... 35 3.7.1.

Sistema de Comunicación ......................................................................................... 37

3.7.2.

Protocolos de comunicación serial ........................................................................... 38

4. METODOLOGÍA .............................................................................................. 41 4.1. IDENTIFICACION DE NECESIDADES .................................................... 41 4.2. ANÁLISIS DEL ENTORNO ....................................................................... 43 4.3. DEFINICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA .................... 44 4.3.1.

Limitantes.................................................................................................................. 45

5. PROCESO INGENIERIL ................................................................................. 46 5.1. TOPOLOGÍA DEL SISTEMA .................................................................... 46 5.1.1.

Topología centralizada .............................................................................................. 47

5.1.2.

Topología descentralizada ........................................................................................ 47

5.1.3.

Selección de Topología ............................................................................................. 48

5.2. DISEÑO MECÁNICO ................................................................................ 49 5.2.1.

Definición material .................................................................................................... 51

5.3. DISEÑO ELECTRÓNICO ......................................................................... 53 5.3.1.

Selección del controlador ......................................................................................... 54

5.3.2.

Temperatura ............................................................................................................. 56

5.3.3.

Humedad ................................................................................................................... 70

6

5.3.4.

Fotoperiodo .............................................................................................................. 76

5.3.5.

Fuente de Alimentación ............................................................................................ 80

5.4. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ................................................................. 82 5.4.1.

Circuitos para control de temperatura ..................................................................... 82

5.4.2.

Circuitos para el control de humedad....................................................................... 86

5.4.3.

Circuitos para el control del fotoperiodo .................................................................. 88

5.4.4.

Selección de protocolo de comunicación ................................................................. 90

5.4.5.

Sistema de visualización............................................................................................ 90

5.5. PRESUPUESTO ....................................................................................... 93 6. RESULTADOS METODÓLOGICOS ............................................................... 94 6.1. DIAGRAMA FUNCIONAL DEL PROYECTO ............................................ 94 6.2. DIAGRAMA FÍSICO DEL PROYECTO ..................................................... 95 6.3. ESTRUCTURA MECÁNICA CÁMARA DE AMBIENTE CONTROLADO .. 95 6.4. INSTALACIÓN DE ACTUADORES Y SENSORES .................................. 97 6.4.1.

Temperatura ............................................................................................................. 97

6.4.2.

Humedad ................................................................................................................... 98

6.4.3.

Fotoperiodo ............................................................................................................ 100

6.5. PRODUCTO FINAL ................................................................................ 100 6.5.1.

Apariencia física cámara de ambiente .................................................................... 101

6.5.2.

Interfaz gráfica ........................................................................................................ 101

6.6. INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS EN EL ECOPARQUE PINARES DE TENJO ............................................................................................................. 102 7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 104 8. RECOMENDACIONES ................................................................................. 106 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 107 CIBERGRAFIA..................................................................................................... 109

7

LISTA DE TABLAS

Pág.

TABLA 1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS TOPOLOGÍAS ......................................................................................................... 49 TABLA 2.COMPARACIÓN DE MATERIALES .................................................................................................................... 52 TABLA 3. OTROS ASPECTOS ...................................................................................................................................... 52 TABLA 4. PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGLOMERADO PVC ................................................................................................ 53 TABLA 5. COMPARACIÓN DE CONTROLADORES............................................................................................................. 54 TABLA 6. COMPARACIÓN ATMEGA 328P Y PIC 18F2550............................................................................................. 55 TABLA 7. SELECCIÓN DEL SENSOR .............................................................................................................................. 56 TABLA 8. TABLA COMPARATIVA ACTUADOR DE TEMPERATURA ........................................................................................ 59 TABLA 9. SELECCIÓN SISTEMA DE RIEGO...................................................................................................................... 71 TABLA 10. CARACTERÍSTICAS ELECTROVÁLVULA GEERTE ................................................................................................ 73 TABLA 11. CARACTERÍSTICAS SENSOR HIGRÓMETRO SEN0114 ....................................................................................... 73 TABLA 12. TENSIÓN Y CONSUMO DE ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS ................................................................... 80 TABLA 13. CARACTERÍSTICAS PROTOCOLOS SPI Y I2C ................................................................................................... 90 TABLA 14. PRESUPUESTO ........................................................................................................................................ 93

8

LISTA DE FIGURAS

Pág.

FIGURA 1.ESTADIOS DEL TENEBRIO MOLITOR ............................................................................................................... 23 FIGURA 2.CICLO DE VIDA TENEBRIO MOLITOR. ............................................................................................................. 24 FIGURA 3. CICLO DE VIDA LOMBRIZ ROJA .................................................................................................................... 26 FIGURA 4. CÁMARA DE AMBIENTE CONTROLADO SERIE-E Y SUS CARACTERÍSTICAS. .............................................................. 34 FIGURA 5. ESTUFA DE SECADO .................................................................................................................................. 34 FIGURA 6. GERMINADOR SERIE-G Y SUS CARACTERÍSTICAS ............................................................................................. 35 FIGURA 7. GENERALIDADES BÁSICAS DE UNA CÁMARA DE AMBIENTE ................................................................................ 36 FIGURA 8. SISTEMA CON VARIAS CÁMARAS.................................................................................................................. 36 FIGURA 9. TRANSMISIÓN DE DATOS EN PARALELO ......................................................................................................... 37 FIGURA 10. TRANSMISIÓN EN SERIE ........................................................................................................................... 38 FIGURA 11. COMUNICACIÓN SPI ENTRE UN MAESTRO Y DOS ESCLAVOS ............................................................................ 39 FIGURA 12. BUS I2C .............................................................................................................................................. 40 FIGURA 13. CAJAS PARA ALMACENAMIENTO DE ANIMALES INVERTEBRADOS. ..................................................................... 42 FIGURA 14. STAND................................................................................................................................................. 43 FIGURA 15. TOPOLOGÍA CENTRAL ............................................................................................................................. 47 FIGURA 16. TOPOLOGÍA DESCENTRALIZADA................................................................................................................. 48 FIGURA 17. DISEÑO ESTRUCTURAL DE UNA CÁMARA DE AMBIENTE CONTROLADO ............................................................... 50 FIGURA 18. VISTAS CAJÓN EN (MM) .......................................................................................................................... 51 FIGURA 19. DIAGRAMA DE CONEXIÓN LM-35 ............................................................................................................. 58 FIGURA 20. RESISTENCIA ELÉCTRICA, CALENTADOR DE AMBIENTE ................................................................................... 59 FIGURA 21. MODELADO DE UN SISTEMA TÉRMICO ....................................................................................................... 61 FIGURA 22. DIAGRAMA DE BLOQUES PARA SOMETER LA FUNCIÓN DE TRASFERENCIA A UN PASO UNITARIO............................... 62 FIGURA 23. RESPUESTA A UN PASO UNITARIO .............................................................................................................. 62 FIGURA 24. RESPUESTA DEL SISTEMA CON CONTROLADOR PROPORCIONAL ........................................................................ 63 FIGURA 25. SISTEMA DE LAZO CERRADO CON UN CONTROLADOR PROPORCIONAL. .............................................................. 64 FIGURA 26. RESPUESTA CONTROL PROPORCIONAL A ESCALÓN UNITARIO ........................................................................... 64 FIGURA 27. BLOQUES CONTROL PROPORCIONAL PARA RESISTENCIA ELÉCTRICA ................................................................... 65 FIGURA 28. BLOQUES DE CONTROL ON/OFF PARA VENTILADORES ................................................................................... 66 FIGURA 29.DIAGRAMA DE FLUJO TEMPERATURA .......................................................................................................... 67 FIGURA 30. DIAGRAMA DE FLUJO PARA ACCIONAMIENTO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA........................................................... 68 FIGURA 31. CONTROL DEL DISPARO DEL TRIAC ............................................................................................................. 69 FIGURA 32. GOTERO AUTOCOMPENSADO................................................................................................................... 72 FIGURA 33. DIAGRAMA DE CONTROL DE HUMEDAD ...................................................................................................... 74 FIGURA 34. DIAGRAMA DE FLUJO SISTEMA DE HUMEDAD ............................................................................................... 75 FIGURA 35. DIAGRAMA DE FLUJO FOTOPERIODO .......................................................................................................... 79 FIGURA 36.FUENTE DE ALIMENTACIÓN ....................................................................................................................... 81 FIGURA 37.FUENTE DE ALIMENTACIÓN CON HUMEDAD ................................................................................................. 82 FIGURA 38. LECTURA SENSOR ................................................................................................................................... 83 FIGURA 39. DETECCIÓN DE CRUCE POR CERO ............................................................................................................... 84 FIGURA 40.SINCRONIZACIÓN DE RED CON MICROCONTROLADOR ..................................................................................... 84 FIGURA 41. CONTROL ACTUADOR 110V .................................................................................................................... 85 FIGURA 42.CONTROL DE VOLTAJE DE UNA CARGA DE CORRIENTE ALTERNA (CA) ................................................................. 85 FIGURA 43.ACCIONAMIENTO VENTILADORES ............................................................................................................... 86

9

FIGURA 44. SENSOR HIGRÓMETRO SEN 0114 ............................................................................................................ 87 FIGURA 45. ACCIONAMIENTO ELECTROVÁLVULA .......................................................................................................... 88 FIGURA 46. CIRCUITO ACCIONAMIENTO LEDS............................................................................................................... 89 FIGURA 47. ABRIR GUIDE ...................................................................................................................................... 91 FIGURA 48. ENTORNO GUIDE MATLAB ...................................................................................................................... 92 FIGURA 49. INTERFAZ GRAFICA................................................................................................................................. 93 FIGURA 50. DIAGRAMA FUNCIONAL DEL PROYECTO ...................................................................................................... 94 FIGURA 51. DIAGRAMA FÍSICO DEL PROYECTO ............................................................................................................. 95 FIGURA 52. ESTRUCTURA MECÁNICA ......................................................................................................................... 96 FIGURA 53. PRUEBA DE HUMEDAD ............................................................................................................................ 96 FIGURA 54. SISTEMA DE TEMPERATURA ..................................................................................................................... 97 FIGURA 55. INSTALACIÓN SENSOR ............................................................................................................................. 98 FIGURA 56. SISTEMA DE GOTEO ................................................................................................................................ 99 FIGURA 57. INSTALACIÓN DE HIGRÓMETRO ................................................................................................................ 99 FIGURA 58. INSTALACIÓN DE ACTUADOR ..................................................................................................................100 FIGURA 59. INSTALACIÓN DE LEDS...........................................................................................................................100 FIGURA 60.CÁMARA DE AMBIENTE CONTROLADO ......................................................................................................101 FIGURA 61. INTERFAZ GRÁFICO DESARROLLADO EN MATLAB.........................................................................................102 FIGURA 62. DISTRIBUCIÓN DE CÁMARAS EN LABORATORIO ...........................................................................................103

10

LISTA DE ECUACIONES Pág.

ECUACIÓN 1. FLUJO DE CALOR .................................................................................................................................. 29 ECUACIÓN 2. EFECTO JOULE..................................................................................................................................... 30 ECUACIÓN 3. VOLTAJE DE SALIDA LM 35 .................................................................................................................... 57 ECUACIÓN 4. TRANSFERENCIA DE CALOR ..................................................................................................................... 60

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A.

VISTAS DISEÑO MECANICO DE LA CAMARA DE AMBIENTE CONTROLADO...............……….111

Anexo B.

TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PARA CAMARA CON HUMEDAD…………………………………..112

Anexo C.

TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PARA CAMARA SIN HUMEDAD…………………………………….115

Anexo D.

DISTRIBUCION DE PINES ATMEGA 328………………………………………………….………………………..118

Anexo E.

PROGRAMA CAMARA DE AMBIENTE CONTROLADO CON HUMEDAD………….…………………119

Anexo F.

PROGRAMA DE INTERFAZ GRAFICA………………………………………………………………………..……...126

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GLOSARIO Anélido: Se aplica al gusano de piel fina cuyo cuerpo está dividido en anillos, cada uno de los cuales poseen órganos reproductores, digestivos, etc., y posee respiración cutánea o branquial como la lombriz de tierra y la sanguijuela1.

Angeo: Es una malla fabricada con hilos de diferentes materiales, asegurando una alta resistencia a la corrosión y larga duración Arduino: Es una plataforma de prototipos de código abierto basado en hardware fácil de usar y el software.

Artrópodo: Se aplica al animal invertebrado de cuerpo segmentado, exoesqueleto quitinoso, y patas y antenas compuestas por piezas articuladas.

Cámara de ambiente controlado: Es un dispositivo utilizado en un laboratorio con el fin de simular distintas condiciones ambientales y poder evaluar el comportamiento del objeto a ensayar.

Eclosión: Momento en que las crías de diversos animales o vegetales comienzan a librarse de su huevo o capullo una vez que han alcanzado el máximo nivel de su desarrollo y están listos para nacer o florecer, como crías.

Entomología: Rama de la Zoología que se ocupa de los insectos y también de los otros grupos de artrópodos.

Fotoperiodo: Dícese de la duración en horas del periodo luminoso del día, comprende el lapso entre la salida y la puesta de sol2.

Larvas: Son las fases juveniles de los animales con desarrollo indirecto (con metamorfosis) y que tienen una anatomía, fisiología y ecología diferente del adulto.

Microcontrolador: Los microcontroladores son dispositivos programables. Son computadoras en un solo chip que poseen una Unidad Central de Procesamiento (CPU, Central Processing Unit), memoria de programa y de datos, puertos de entrada/salida (E/S) serie y paralelo, temporizadores e interrupciones internas y externas.3 1

Escalona M., Iván. Biología. Argentina: El Cid Editor | apuntes, 2009.

Barioglio, Carlos. EN: Diccionario de las ciencias agropecuarias. Encuentro grupo editor 1ra Edición. Argentina, 2001. P.200 2

3

Dogan, Ibrahim. Programación de microcontroladores PIC. España: Marcombo, 2008. http://site.ebrary.com/lib/biblioredsp/reader.action?docID=10212517

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PLC: Un controlador lógico programable (PLC) es una forma especial de controlador basado en procesador que usa una memoria de programable para almacenar instrucciones e implementar funciones tales como: lógica, secuenciamiento, temporizaciones, conteo y aritmética, con el objetivo de controlar máquinas y procesos, son diseñados para operar por ingenieros con un conocimiento limitado de computadores y lenguajes de computación.

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RESUMEN

El control de variables ambientales como temperatura, humedad y fotoperiodo influye en el desarrollo de los insectos. El estudio de animales en diferentes ambientes es muy importante debido a que algunos animales que han sido considerados plagas como es el caso del tenebrio molitor, hoy en día se han convertido en una alternativa alimenticia para animales (como tortugas, iguanas, serpientes, erizos, aves, entre otros), igual que la lombriz de tierra.

A través de este proyecto se buscó el diseño y construcción de una cámara de ambiente con la capacidad de controlar humedad del suelo, temperatura y fotoperiodo para investigaciones con el gusano de harina (tenebrio molitor), lombriz de tierra y algunos otros insectos con características similares de tamaño, ciclo de vida, etc.

Conforme a los pilares de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia se enlazó Ingeniería Mecatrónica con Zootecnia para llevar a cabo un sistema capaz de dar solución a los problemas con el estudio de los animales invertebrados, dando como resultado la tecnificación de un proceso agropecuario y el aumento considerable en la producción.

Como producto de este trabajo se desarrollaron veinte cámaras de ambiente, diez con la capacidad de controlar temperatura y fotoperiodo y otras diez con la capacidad de controlar humedad del suelo, fotoperiodo y temperatura, además implementó una interfaz gráfica que permite establecer las referencias al sistema por medio de un ordenador o PC y monitorear las variables.

Palabras clave:     

Fotoperiodo Humedad Temperatura Cámara de ambiente Interfaz grafica

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ABSTRACT

The control of environmental variables such as temperature, humidity and photoperiod influences in the development of insects. The study of animals in different environments can be given a response to many questions about these animals that are considered pests, as is the case of the worm of flour (Tenebrio molitor) that has ceased to be a pest to become a dietary alternative for animals such as turtles, iguanas, snakes, hedgehogs, birds, among others), as well as earthworms.

Through this project I am looking for the design and construction of a house of environment with the ability to monitor soil moisture, temperature and photoperiod for investigations with the worm of flour (Tenebrio molitor), earthworms and some other insects with similar characteristics such as size, life cycle, etc.

According to the pillars of the university was paired the mechatronics with zootechnics to carry out a system capable of finding a solution to the problems with the study of invertebrate animals, resulting in the automation of a process agricultural and the considerable increase in the production.

As a product of this work is developed 20 cameras of environment, 10 with the ability to control temperature and photoperiod and other 10 with the ability to monitor soil moisture, photoperiod and temperature, it also has a graphical interface that allows you to set the references to the system by means of a computer or PC and monitor variables.

Keywords:     

Photoperiod Humidity Temperature Chamber of environment GUI

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INTRODUCCIÓN El control de variables ambientales es fundamental cuando se desea hacer un estudio sobre el desarrollo de un insecto debido a que como lo señala Cardona en su tesis de grado: “En términos fisiológicos, un insecto debe acumular cierta cantidad de calor para poder desarrollarse. El aumento de la temperatura en que se desarrolla una especie de insecto acelera su tasa de desarrollo, y por consiguiente, aumenta el número de generaciones que tiene durante el año. Desde luego, este comportamiento puede ser diferente en muchas especies, pero ocurre así de forma general Además, a temperaturas superiores a las adecuadas, los porcentajes de mortalidad son muy elevados, lo que dificulta los estudios que se puedan realizar a altas temperaturas, las cuales son conocidas como el umbral máximo de desarrollo."4

Durante el segundo semestre académico del año 2014 se realizó un acompañamiento a unos estudiantes de la facultad de Zootecnia en su tesis de grado con el fin de controlar la temperatura de unas cajas de producción de una especie insecto invertebrado (tenebrio molitor), con el objetivo de determinar el ambiente idóneo para el desarrollo de éste. El proyecto se llevó a cabo en el Ecoparque Pinares de Tenjo de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.

Con los resultados obtenidos por los estudiantes en esta investigación se demostró que los tenebrios tenían un mejor desarrollo en condiciones ambientales controladas de temperatura, esto dio paso a nuevas investigaciones enfocadas a aprovechar los beneficios que ofrecen estos insectos en cuanto a alternativas alimenticias para animales. Pero para el desarrollo de estas investigaciones era necesario contar con un sistema que tuviera la capacidad de controlar temperatura, fotoperiodo y humedad del suelo. Este estudio no solo abrió las puertas a la especie del tenebrio molitor sino también a la lombriz de tierra.

A partir de todo esto surge la idea de construir un sistema mecatrónico con el cual se pudiera controlar las variables ambientales ya antes mencionadas, con la posibilidad de que el usuario pueda interactuar con el sistema y definir los parámetros deseados por medio de un ordenador.

Se diseñó un sistema mecatrónico con la capacidad de albergar los animales bajo unos parámetros ambientales controlados. El sistema de control de temperatura, humedad del suelo y fotoperiodo implementado tuvo en cuenta factores como sistemas de calefacción a utilizar, sistema de ventilación, técnica de riego, iluminación, la ubicación de cada uno de los sensores y actuadores para cada sistema y el espacio disponible para la desarrollo del proyecto. A partir de esto se 4

Marco, Vicente. Modelización de la tasa de desarrollo de insectos en función de la temperatura.

Aplicación al manejo integrado de plagas mediante el método de grados-días. En línea [http://entomologia.rediris.es/aracnet/7/12entoaplicada/]. Citado por: CARDONA, Jorge; PAZOS, Juan. Cámara de ambiente controlado para la supervivencia de plantas e insectos. Trabajo de grado (Ing. Electrónica). Medellín. Universidad pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería-eléctrica y electrónica. 2013. 129p.

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realizó una cámara de ambiente controlado la cual es capaz de controlar uniformemente la temperatura, controlar la humedad del suelo y variar el fotoperiodo a los que están expuestos los animales.

Posteriormente se seleccionó un protocolo de comunicación que admitiera la interconexión de las veinte cámaras de ambiente controlado con un ordenador central para la implementación de una interfaz gráfica que permitiera la visualización y control de las variables ambientales de cada una de las cámaras de ambiente controlado.

El presente trabajo buscó la articulación de la ingeniería mecatrónica con las diferentes áreas del conocimiento en zootecnia, con el desarrollo de un sistema autónomo para ser utilizado en la investigación de insectos, para esto se realizó una investigación completa de todo lo que tenía que ver con las especificaciones de los insectos a estudiar y con cámaras de ambiente controlado. Además se alcanzaron los objetivos propuestos y se logró un sistema eficaz y abierto a posibles mejoras.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

¿Cuál es la importancia del monitoreo y control de variables ambientales en la producción del tenebrio molitor y las lombrices?

El control de las variables ambientales en la producción del tenebrio molitor y la lombriz de tierra, es muy importante ya que aumenta la producción de los animales debido a que reduce el ciclo de vida en aproximadamente un 67%5.

Los insectos juegan hoy en día un papel muy importante en alternativas alimenticias no solo para animales si no posiblemente también para seres humanos. El hecho de poder realizar estudios de los artrópodos y anélidos en un tiempo más corto brinda la posibilidad de avanzar más en este tema y así poder dar resultados más significativos.

1.2.

OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo General

 Construir un sistema de monitoreo y control que permita variar las condiciones ambientales para un proceso de producción del gusano de harina (Tenebrio molitor) y lombriz de tierra.

1.2.2. Objetivos Específicos  Caracterizar los fundamentos básicos de zootecnia en el manejo de insectos para una correcta adecuación del ambiente.  Diseñar un sistema que permita el control de las variables ambientales para un óptimo desarrollo de los insectos.  Implementar un sistema de comunicación para el monitoreo y control de las cámaras de ambiente controlado.

5

Ibáñez V. El gusano de la harina-Tenebrio molitor, Rev. Diamante mandarín (en línea) consultado 19 de Agosto 2015.

(2007) Disponible en http://diamantemandarin.es/general/alimentacion/alimentovivo/gusano-de-la-harina/

19

1.3.

JUSTIFICACIÓN

Un sistema de control aplicado al manejo de las variables ambientales contribuye a mejorar y acelerar la producción de los insectos y los anélidos ya que disminuye el ciclo de vida de los animales, permitiendo así que lleguen a madurar y a reproducirse más rápido. Adicionalmente se reduce el tiempo requerido para el cuidado de los animales y facilita la manipulación de los mismos. El proyecto beneficia a los estudiantes de la facultad de zootecnia de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, ofreciendo equipos para el desarrollo e investigaciones con insectos y anélidos; así como también beneficia a muchos otros lugares como (universidades, zoológicos e incluso equipos de investigación) donde se dediquen a la producción de estos animales.

El proyecto permite implementar tecnología en los procesos agropecuarios y aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera como ingeniero mecatrónico.

1.4.

ALCANCE

El sistema está constituido por varios mecanismos denominados cámaras de ambiente, los cuales tiene como propósito controlar temperatura, humedad del suelo y fotoperiodo en su interior. Además permitir un monitoreo y control de estas variables desde un ordenador.

El alcance de este proyecto es diseñar e implementar la parte mecánica y electrónica de veinte cámaras de ambiente controlado según las necesidades planteadas por el docente y los estudiantes de la facultad de Zootecnia. El proyecto no trabaja con temperaturas inferiores a las del ambiente debido a que no tiene un sistema de refrigeración. El alcance de este proyecto no involucra el ordenador central, ni la distribución de tubería dentro del laboratorio de la facultad de Zootecnia.

20

2. MARCO REFERENCIAL

2.1.

ANTECEDENTES

En el año 2013 fue presentado en la facultad de ingeniería de la universidad Pontificia Bolivariana de Medellín Colombia, un proyecto denominado “Cámara de ambiente controlado para la supervivencia de plantas e insectos”.

Este proyecto “busca obtener un controlador de temperatura y humedad relativa dentro de una cámara de la que dispone el Grupo de Investigaciones Agroindustriales (GRAIN), inicialmente utilizada como recinto de maduración de cárnicos, que permita crear ambientes adecuados para el crecimiento de plantas, insectos y ácaros, con el fin de tener un mejor control sobre las condiciones de desarrollo a la hora de llevar a cabo experimentos de interés para la agroindustria”6.

Así mismo en el año 2014 se llevó a cabo un estudio llamado “Efecto de la temperatura y fotoperiodo sobre la cría en cautiverio del gusano de la harina (tenebrio molitor), y su influencia sobre parámetros productivos”7 este proyecto fue presentado como trabajo de grado de estudiantes de la facultad de Zootecnia de la Universidad Agraria de Colombia.

El proyecto consistía en controlar la temperatura de 12 unidades experimentales, esto se hizo controlando la intensidad de luz de 12 bombillos cada uno asignado a una unidad experimental, cada bombillo tenía un control independiente.

En este proyecto Bonilla y Sepúlveda recomendaron “Cabe destacar que aunque el modelo de instalación diseñado y la metodología propuesta fue eficiente y de óptimos resultados, su manejo y disposición fue un poco complejo. Ya que la continua manipulación de las cajas para las mediciones obliga a tener un sistema más flexible y de fácil manejo. Que en nuestro caso los elementos integrados que poseía el sistema, dificultaba la extracción e introducción de las cajas en las secciones del estante, por lo que se recomienda diseñar un sistema que permita la fácil movilidad de todos los elementos que conforme dicho montaje”. Teniendo en cuenta las necesidades encontradas en este último proyecto en el cual los autores participaron, se consideró que se podía desarrollar un sistema de fácil manipulación e igualmente eficaz, esto con el fin de contribuir con el desarrollo de las investigaciones realizadas por la facultad de Zootecnia.

6

CARDONA, PAZOS. Op. cit. P.12 BONILLA, Miguel Fernando y SEPULVEDA, Jessica Lizeth. Efecto de la temperatura y fotoperiodo sobre la cría en cautiverio del gusano de harina (Tenebrio molitor), y su influencia sobre parámetros productivos. Trabajo de grado (Zootecnista). Bogotá D.C. Fundación Universitaria Agraria de Colombia. Facultad de zootecnia. 2014. 80p 7

21

3. MARCO TEÓRICO

Para poder ejecutar este proyecto, se deben tener en cuenta las especificaciones más importantes de los insectos a estudiar como ciclo de vida, anatomía y sobre todo las condiciones ambientales idóneas para cada una de las especies. Además se amplía el tema de variables como: Temperatura, humedad y fotoperiodo y se finaliza con una investigación realizada a las cámaras de ambiente controlado que hay en el mercado usadas con estos fines.

A continuación se muestra el desarrollo de la parte teórica de este proyecto.

3.1.

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE TENEBRIO MOLITOR

3.1.1. Generalidades Como señala Flórez “El tenebrio molitor, es una especie de distribución cosmopolita, introducida artificial o accidentalmente”8. Y lo complementa Nielsen “Las larvas recientemente mudadas se utilizan como alimento de mascotas, peces tropicales, aves, reptiles y pequeños mamíferos insectívoros. Debido a que su cría en laboratorio es sencilla, es también un insecto adecuado para estudios de fisiología”9.

3.1.2. Anatomía Los escarabajos tienen de 15 a 18 mm de largo, 5 mm de ancho y unos 3.5 mm de alto, aunque depende del tamaño de la pupa. Nacen de color marfil y en el curso

8

FLOREZ, G.E. Biodiversidad de Artrópodos Argentinos: Una perspectiva biotaxonómica.

Ediciones Sur. 599 p. Argentina Citado por: Ciclo de Vida de Tenebrio molitor (Coleoptera, Tenebrionidae) en Condiciones Experimentales.1998.

9 NIELSEN, G.R. Mealworms. Plant and Soil Science Department. University of Vermont extension homepage. Citado por: BONILLA, Miguel Fernando y SEPULVEDA, Jessica Lizeth. Efecto de la temperatura y fotoperiodo sobre la cría en cautiverio del gusano de harina (Tenebrio molitor), y su influencia sobre parámetros productivos. Trabajo de grado (Zootecnista). Bogotá D.C. Fundación Universitaria Agraria de Colombia. Facultad de zootecnia. 2014. 80p.

22

de dos días se convierten en un color negro-marrón en la parte superior de su cuerpo y negro-rojizo en la parte inferior10.

En la figura 1. Se aprecia las diferentes etapas del tenebrio molitor en la parte izquierda la larva, en el medio la pupa y en la parte derecha el escarabajo Figura 1.Estadios del tenebrio molitor

A.

Larva B. Pupa C. Escarabajo

Fuente. Argueta L. & Ramos G. (2013). Contenido de proteína, grasa, calcio, fosforo en larvas del Escarabajo molinero (Coleoptera: Tenebrionidae: Tenebrio molitor L.) alimentadas con diferentes sustratos y fuentes de agua; para ser utilizadas como alimentación de animales silvestres. (Tesis de grado) [Ilustración]. San Salvador. Universidad del salvador, San salvador.

3.1.3. Ciclo de Vida El Tenebrio molitor, como todos los insectos holometábolos (metamorfosis completa), sigue un ciclo de cuatro estadios diferentes durante su vida: huevo, larva, pupa y adulto. En vida silvestre este ciclo puede variar de 6 a 12 meses, mientras que bajo condiciones de criadero, con parámetros adecuados de temperatura, humedad, nutrición e iluminación, este ciclo puede reducirse a 10 a 12 semanas11.

En la figura 2 se evidencia el ciclo de vida del Tenebrio Molitor con sus respectivos tiempos y temperatura promedio de 28 ºC.

10

Ibáñez Vicente. (2007) El gusano de la harina-Tenebrio molitor, Rev. Diamante mandarín (en línea) consultado 30 de Julio 2015.

Disponible en http://diamantemandarin.es/general/alimentacion/alimentovivo/gusano-de-la-harina/ 11 BONILLA, SEPÚLVEDA Óp. cit. p.8

23

Figura 2.Ciclo de vida Tenebrio molitor.

Fuente. Barbosa G. (2004) - Criação de Tenebrio molitor para alimentação de curiós durante a estação de cría. Brasil.

3.1.4. Beneficios y usos El tenebrio Molitor es un insecto que sirve como un importante complemento alimenticio para una gran variedad de animales tales como aves, peces, insectívoros, etc. Además de servir como complemento, se utiliza en “muchos de los animales en cautiverio que pueden sufrir de aburrimiento y, por eso, recurren a comportamientos autodestructivos: languidecen, dejan de comer, sacan sus plumas, etc. Ofrecerles un alimento vivo, móvil, algo que olfatean pero no necesariamente ven, puede tenerlos ocupados por varias horas. Es lo que en los medios profesionales, se conoce como “terapia ocupacional” ó “enriquecimiento del ambiente”12. y ayuda a disminuir las tasas de canibalismo13, por lo que al productor le va a dar mayores índices de producción a menor costo.

12

Ibáñez Vicente. (2007) El gusano de la harina-Tenebrio molitor, Rev. Diamante mandarín (en línea) consultado 30 de Julio 2015.

Disponible en http://diamantemandarin.es/general/alimentacion/alimentovivo/gusano-de-la-harina/ 13 Ibíd.

24

Estos insectos como ya se mencionó anteriormente se utilizan también como un complemento alimenticio, pero no puede ser considerado como una alimentación completa debido a que el consumo en exceso puede ocasionar desequilibrios metabólicos14.

3.2.

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LOMBRICES

3.2.1. Generalidades Como lo señala Tineo Bermúdez en su trabajo “Crianza y manejo de lombrices de tierra con fines Agrícolas” la lombriz “es un organismo biológicamente simple, el agua es el principal constituyente en 80% a 90% de su peso total, tiene diferentes colores variando de pálidos, rosados, negros, marrones y rojos intensos, con franjas amarillentas entre los segmentos; esta variación es por la presencia de pigmentos protoporfirina y éster metílico”15.

3.2.2. Ciclo de vida La lombriz de tierra en su ciclo de vida pasa por tres etapas: capullo, individuo/capullo e individuo adulto y el tiempo promedio que tarda en pasar por todas sus etapas es de 50 días.

En la figura 3 se presenta el ciclo de vida de una especie de lombriz EISENIA FOETIDA (LOMBRIZ ROJA), donde se aprecia las diferentes etapas y el tiempo promedio que demora entre una y otra transformación.

14

Barbosa G. - Criação de Tenébrio molitor para alimentação de curiós durante a estação de cria.

Brasil. 2004 15 TINEO, Alex. Crianza y manejo de lombrices de tierra con fines Agrícolas. En: Centro Agronómico Tropical de investigación y enseñanza (CATIE) Programa manejo integrado de recursos naturales “Manejo de cuencas”.1994. 35 p.

25

Figura 3. Ciclo de vida Lombriz roja

Fuente. Conferencia 4: Compostaje y Lombricultura.

3.2.3. Beneficios y usos La lombriz de tierra es un insecto que es utilizado como carnada para pesca deportiva, complemento alimenticio para una gran variedad de animales tales como aves, peces, insectívoros, etc. y ademas el escremento de estos animales es un excelente abono.16 3.3.

CONDICIONES DE TEMPERATURA

La temperatura es una variable muy importante en el desarrollo de los artrópodos, los anélidos y en general en todo ser vivo, por lo que el control de esta variable en el tenebrio molitor y la lombriz de tierra también desempeña un papel muy importante en el desarrollo de su ciclo de vida.

16

Reines Martha, Rodríguez Carlos, Sierra Araceli. Lombrices de tierra con valor comercial.

Universidad de la Habana. 1998. Cuba. 61p

26

A continuación se describen las condiciones de esta variable para el tenebrio molitor y la lombriz de tierra.

3.3.1. Efecto de la temperatura para tenebrio molitor y lombriz de tierra La temperatura es un factor importante para el desarrollo de todo animal. Por esta razón el control de esta variable ambiental se hace fundamental para el aumento de la producción del gusano de harina y de la lombriz de tierra.

A continuación se expone la temperatura ideal para el desarrollo de cada uno de estos animales.

Efecto de la temperatura para el Tenebrio molitor En la investigación realizada por Bonilla y Sepúlveda17 se evidenció que el tenebrio molitor es muy dependiente de las condiciones ambientales, en especial de la temperatura que es esencial para su supervivencia y desarrollo, en esta misma investigación se observó que la temperatura óptima para la crianza en cautiverio de este insecto oscila entre 26-28 °C. Efecto de la temperatura para la lombriz de tierra En el texto realizado por Tineo Alex se puede evidenciar que las lombrices de tierra necesitan de un ambiente controlado para un mejor desarrollo por lo que según Tineo la temperatura ideal para la producción de lombrices es alrededor de 20°C18.

3.3.2. Transferencia de calor En el mercado existen diferentes sistemas de calefacción, lo que se tiene en cuenta a la hora de seleccionar uno, es el lugar en donde se va a utilizar, las características y la aplicación específica y aún más importante la transferencia de calor que se necesita.

A continuación se describen los métodos por los cuales el ambiente cambia o se transforma la variable de temperatura.

17 18

BONILLA y SEPULVEDA. Op. cit., p.63 TINEO. Op. Cit. ,p. 16

27

Según Yunus A. Cengel19 el calor se puede transferir en tres modos diferentes: por conducción, convección y por radiación. En seguida se da una breve descripción de cada uno de ellos.

Conducción La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases.

Convección La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección.

La convección puede ser natural o forzada, la convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento.

Radiación La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en la configuración electrónica de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de calor por radiación no requiere la presencia de un medio interventor. De hecho, la transferencia de calor por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en un vacío. Ésta es la manera en la que la energía del Sol llega a la Tierra.

Teniendo en cuenta las características de cada método, la convección es el método que más adapta al proyecto, debido a que permite la transferencia de calor por medio de un cuerpo intermedio que puede desplazarse, para este caso el aire, distribuyendo el calor en el entorno donde se encuentran los insectos

19

CENGEL, Yunus. Capítulo 1: Introducción y conceptos básicos. EN: Transferencia de calor y masa 4ta Edición, 2007. P.25

28

3.3.3. Pérdidas de temperatura Para determinar las pérdidas que va a tener el sistema se tiene que tener en cuenta ciertas variables tales como, si está en un espacio abierto o cerrado si hay fuertes corrientes de viento o si por lo contrario no hay mucha ventilación.

Para calcular el flujo de calor a través de una pared plana, se utiliza la siguiente la ecuación.

Ecuación 1. Flujo de calor

Fuente CENGEL, Yunus. Capítulo 1: Introducción y conceptos básicos. EN: Transferencia de calor y

masa 4ta Edición, 2007.930 P.

Donde: Q: Flujo de calor [w] K : Conductividad térmica del material [(w/m) °K] A: Área de incidencia de la temperatura [m2] L: Espesor de la pared [m] TM: Temperatura mayor [°K] Tm: Temperatura menor [°K] Conociendo las pérdidas de temperatura que se presentan en el sistema se debe elegir el sistema de calefacción que se comporte mejor ante las pérdidas.

3.3.4. Sistemas de Calefacción Cuando se trata de calentar un ambiente es importante tener en cuenta el sistema que se va a utilizar por lo que a continuación se muestra una breve explicación de algunos de los sistemas de calefacción.

Sistema de calefacción Eléctrico Las principales características de un sistema de calefacción eléctrico las presenta Grimm Nils y Rosaler Robert en su libro manual de diseño de calefacción, ventilación y aire acondicionado: La energía eléctrica es ideal para la calefacción de espacio. Es relativamente sencilla de controlar y distribuir. En muchas aplicaciones, la limpieza y compacidad de los calefactores eléctricos representa una alternativa muy

29

atractiva. No requiere almacenamiento de combustibles, no produce humos ni emisiones y, según disposiciones específicas, ofrecen una alternativa más segura a calefactores de combustibles.

El costo y conservación energética son factores dominantes en el diseño de calefacción eléctrico. En general, y en comparación con otros métodos de calefacción, la calefacción eléctrica tiene un coste de instalación inferior, requiere menos mantenimiento, tiene tasas de seguros inferiores y es más fácil de zonificar. En muchos casos se adopta la calefacción eléctrica de espacios cuando el coste inicial mínimo es un factor dominante.20

Efecto Joule El efecto Joule, es un fenómeno que ocurre cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor. López Luis explica por qué acontece el efecto Joule. “Una corriente eléctrica supone un desplazamiento de cargas a través de un conductor, y para que este desplazamiento se produzca, es necesario, vencer la fuerza de rozamiento que se opone a su desplazamiento, y que como cualquier otra fuerza de rozamiento mecánico, supone la disipación de energía en forma de calor.” 21 Su expresión matemática es la siguiente: Ecuación 2. Efecto Joule

Fuente 1. GERMÁN, Santamaría. CASTEJÓN, Agustín. Electrotecnia. Capítulo 1: Corriente eléctrica [Ilustración]. Editex. 2009. 348p.

Donde: Q: Cantidad de calor producida en julios (J) R: Resistencia del conductor en ohmios (Ohmios) I: Intensidad que circula en amperios (A) t: Tiempo transcurrido en segundo (t) Con la ecuación 2, se puede determinar la cantidad de calor producida o disipada por un elemento eléctrico a partir de su resistencia, la corriente que fluye por el dispositivo y la cantidad de tiempo que dura encendido.

Sistema de calefacción con gas Estos sistemas son los más utilizados. Debido a que utilizan la energía de un combustible en su funcionamiento.

20

GRIMM, Nils y ROSALER, Robert. Manual de diseño de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Madrid: McGraw-Hill Interamericana. 1996. P 118 21 LOPEZ, Luis. Temas de física. España. Alicante. Editorial club universitario.2010. 512p.

30

Como lo explica Havrella, Raymond A. en su libro fundamentos de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire. “Los aparatos para calefacción que usan gas como combustible queman derivados del petróleo líquido a baja presión, tales como el propano, butano, el gas natural o gas manufacturado. Cada uno tiene una composición diferente, un valor calorífico distinto y diversa gravedad especifica o peso específico en comparación con el aire”22.

Aunque el sistema de calefacción utilizado en la mayoría de cámaras de ambiente controlado para la producción de insectos es el eléctrico.

3.4.

HUMEDAD

La humedad contenida en el suelo es uno de los factores abióticos más importantes para el desarrollo de las lombrices de tierra, pero para el tenebrio molitor no lo es, ya que como el tenebrio molitor se cultiva en harina, el agua endurece la harina y causa problemas graves con el desarrollo del insecto por esta razón la humedad contenida en el suelo para el tenebrio molitor es cero (0).

En el siguiente apartado se describe la importancia de la humedad para la lombriz de tierra y los diferentes sistemas riego para el control de la humedad del suelo.

3.4.1. Humedad para la lombriz de tierra El medio en el que viven las lombrices de tierra se encuentra sometido a las acciones simultáneas de los agentes climáticos, edáficos, químicos, etc. En las condiciones del trópico la humedad es fundamental para las lombrices.23 Es por esto que este animal requiere para un óptimo desarrollo una humedad en el suelo entre el 80% y el 90%, de no estar en estos rangos la lombriz sobrevivirá pero no trabajara ni se reproducirá24.

3.4.2. Tipos de riego Para el control de humedad es necesario tener en cuenta los tipos de riego para una posterior selección.

Martínez Francisco25, presenta en su libro introducción al riego tres tipos de riego los cuales se describen a continuación.

22

HAVRELLA, Raymond A. fundamentos de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire.

México. McGraw-Hill Interamericana. 1983. P. 149.

23 Editorial Universitaria. Lombricultura: desarrollo sostenible. Cuba: Editorial Universitaria, 2007. .

24 TINEO, Alex. Crianza y manejo de lombrices de tierra con fines Agrícolas. En: Centro Agronómico Tropical de investigación y enseñanza (CATIE) Programa manejo integrado de recursos naturales “Manejo de cuencas”.1994. p. 16 25 Martínez Cortijo, Francisco Javier. Introducción al riego. España: Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia, 2014

31

Riego por gravedad En el riego por gravedad, también llamado por superficie, el sistema de distribución del agua es la superficie del suelo y la fuente de energía que se utiliza es la gravedad a partir de la diferencia de cotas. Desde la parte alta del terreno a regar, más o menos nivelado, se abre la fuente de agua y ésta empieza a discurrir, a la vez que va infiltrando, por toda la superficie.

Riego por aspersión y goteo El riego por aspersión se incluye en los sistemas de riego a presión, junto al goteo, la micro-aspersión y otros. En estos sistemas la distribución de agua se realiza a través de tuberías cebadas o a presión, en los que la energía utilizada es la propia de la presión que lleva el agua.

Riego localizado El término riego localizado engloba los sistemas de riego que trabajan con pequeños caudales a baja presión y que suministran agua a las plantas humedeciendo únicamente una parte del suelo próxima a la zona radicular de manera constante o casi constante.

3.5.

FOTOPERIODO

El fotoperiodo juega un papel muy importante en el desarrollo de todo ser vivo por lo que hoy en día se busca experimentar con diferentes ciclos de luz/oscuridad para hallar el ambiente propicio de desarrollo de muchos insectos y así brindar resultados óptimos a muchos estudios.

Debido a que la lombriz de tierra y el tenebrio molitor se desarrollan mejor en un ambiente de total oscuridad, se incluyó en este proyecto el control del fotoperiodo debido a que el objeto del sistema es experimental, por lo que se procura controlar las variables más importantes en el desarrollo de cualquier ser vivo y entre estas se encuentra el fotoperiodo.

3.5.1. Efecto del fotoperiodo en el tenebrio molitor y en la lombriz de tierra Según la investigación realizada por Bonilla y Sepúlveda26 se evidenció que el fotoperiodo propicio para la crianza en cautiverio del tenebrio molitor es cero 26

BONILLA, y SEPULVEDA, Op. cit p.63

32

luminiscencia, lo que quiere decir se desarrollan mejor en un ambiente totalmente oscuro.

Para el desarrollo de la lombriz de tierra es determinante el fotoperiodo tal y como lo afirma el manual básico para hacer Vermicompost27: La lombriz roja de tierra son fotofóbicas, la luz les daña y por lo tanto huyen de ella.

3.6.

CÁMARAS DE AMBIENTE CONTROLADO EN LA INDUSTRIA

Las cámaras de ambiente controlado son dispositivos con la posibilidad de simular variables ambientales tales como: temperatura, humedad, fotoperiodo, etc. Para poder evaluar el comportamiento del objeto a ensayar en las condiciones ambientales anteriormente nombradas. Estas cámaras brindan variedad de usos como por ejemplo para el crecimiento de plantas, entomología, curado de alimentos y ensayos varios.

A su vez estas cámaras son un mercado poco explorado en Colombia ya que son un tema relativamente nuevo aquí y hay pocas empresas dedicadas a esto. Con este proyecto se pretende adecuar un sistema similar que cumple las funciones necesarias para la producción de especies controlando las mismas variables.

A continuación se muestra algunos de los sistemas que se encuentran en el mercado con una breve descripción.

3.6.1. Cámara de ambiente controlado Serie-E En la figura 4 se muestra cámara ambiente controlado de la empresa española IBERCEX28, que se dedica a la fabricación de cámaras y sistemas de ambiente controlado, cuenta con 30 años de experiencia en el campo de la investigación y la producción agrícola.

27

CORPORATIVO, Manual básico para hacer Vermicompost. Leganés: Madrid, Ayuntamiento de San Sebastián de los reyes. P. 3.

28 IBERCEX, (En linea). Consultado: 12 de agosto de 2015, Disponible en: http://www.ibercex.com/index.php/quienes-somos/

33

Figura 4. Cámara de ambiente controlado Serie-E y sus características.

Fuente. Sitio web IBERCEX

3.6.2. Estufa de secado En la figura 5 se puede apreciar uno de los dispositivos que ofrece la empresa Colombiana con sede en Bogotá, INDIGO tecnología.

Figura 5. Estufa de secado

Fuente. Sitio web: Indigo Tecnología

34

3.6.3. Germinador Serie-G En la figura 6 se puede apreciar las características con las que cuenta el germinador Serie-G y su aspecto físico. Este dispositivo también es de la empresa IBERCEX de España.

Figura 6. Germinador Serie-G y sus características

Fuente. Sitio web IBERCEX

3.7.

SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DEL TENEBRIO MOLITOR Y LA LOMBRIZ DE TIERRA

Teniendo en cuenta las variables ambientales fundamentales para el desarrollo del tenebrio molitor y la lombriz de tierra y los prototipos de cámaras de ambiente encontrados en el mercado, se determina los componentes básicos con los que debe contar una cámara de ambiente controlado.

Se determinó las generalidades básicas de las cámaras de ambiente controlado comerciales, como lo son la forma rectangular de la mayoría de cámaras y los materiales resistentes a las diferentes variables como lo es el acero inoxidable y el aluminio. En la figura 7 se muestran algunas de las características básicas de una cámara de ambiente.

35

Figura 7. Generalidades básicas de una cámara de ambiente CÁMARA DE CONTROL DE AMBIENTE

Sistema de control de temperatura

Sistema de control de humedad

Controlador

Sistema de control de fotoperiodo

Fuente. Autores

Teniendo en cuenta las especificaciones básicas de una cámara de ambiente se procede a definir como generalizar esto y comunicar varias de ellas. En la figura 8 se puede apreciar el diagrama de bloques para este sistema.

Figura 8. Sistema con varias cámaras Cámara de ambiente

Cámara de ambiente Controlador central

Interfaz grafica

Cámara de ambiente

. . .

Cámara de ambiente

Fuente. Autores

36

3.7.1. Sistema de Comunicación En el proyecto es fundamental el sistema de comunicación empleado, debido a que el monitoreo y control no se podría llevar a cabo sin la interconexión entre las diferentes cámaras de ambiente con el ordenador central.

Inicialmente se presentan los dos métodos para la transmisión de datos, posteriormente se selecciona el sistema de transmisión serial y se describe en detalle los dos protocolos más adecuados para la implementación en el proyecto.

3.7.1.1.

Sistemas de transmisión de datos.

Existen dos tipos de intercambio de información entre controladores, puede realizarse de dos maneras: de manera paralela o serial.

El método paralelo implica el envío de la información en simultáneo por ocho circuitos independientes, cada uno de los cuales transporta un bit. La ventaja principal de este método es la velocidad de transmisión de datos pero su desventaja es la cantidad de cableado extra que se requiere para la implementación de este método.29 La transmisión de datos de forma paralela (Figura 9) es por lo general utilizada en comunicaciones donde se requiera poca distancia debido a que por emplear más hilos de comunicación, su costo se aumenta.

Figura 9. Transmisión de datos en paralelo

Fuente. Santos González, Manuel. Principio de transmisión de datos [Imagen]. EN: Diseño de redes telemáticas. España: RA-MA Editorial, 2014. P 42.

La trasmisión en serie consiste en enviar información a través de un solo hilo de comunicación tal como se observa en la figura 10, los datos se envían en binario y uno detrás de otro. La principal ventaja con respecto a la transmisión paralela es

29

ZUÑIGA, López. Redes de transmisión de datos. Monografía. Ingeniero en electrónica y comunicaciones. Hidalgo. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. 2005. 99 p.

37

su bajo costo debido a que utiliza menos cableado que el otro sistema de transmisión.30 Figura 10. Transmisión en serie

Fuente. Santos González, Manuel. Principio de transmisión de datos [Imagen]. EN: Diseño de redes telemáticas. España: RA-MA Editorial, 2014. P 43.

3.7.2. Protocolos de comunicación serial Para determinar el protocolo serial que se va a utilizar en el proyecto, a continuación se va a profundizar en dos de ellos: Protocolo SPI y Protocolo I2C 3.7.2.1.

Protocolo de comunicación SPI (Serial Peripheral Interface)

El protocolo SPI utiliza un bus de 4 líneas de comunicación para la interconexión de dispositivos. Se basa en el modelo de Maestro/Esclavo, en donde el maestro es el encargado de establecer la comunicación con cada uno de los dispositivos denominados esclavos. Es un bus full dúplex lo que quiere decir que puede enviar y recibir información de manera simultánea, lo que aumenta considerablemente la tasa de transferencia de datos.31 En la figura 11 se aprecia la forma de conexión para una comunicación SPI entre un maestro y dos esclavos con las respectivas líneas de comunicación necesarias.

-

SDO: Salida de datos serie.

SDI: Entrada de datos serie.

SCK: Reloj de sincronización.

SS: Habilitación de esclavo.

30

SANTOS GONZALEZ, Manuel. Principio de transmisión de datos. EN: Diseño de redes telemáticas. España: RA-MA Editorial, 2014. P 43.

31 ANGULO Usategui, José María, ROMERO Yesa, Susana, y ANGULO Martínez, Ignacio.

Microcontroladores PIC: diseño práctico de aplicaciones. Segunda parte: PIC16F87X, PIC18FXXXX. (2a. ed.). España: McGraw-Hill España, 2006. P 169

38

Figura 11. Comunicación SPI entre un maestro y dos esclavos

Fuente. ANGULO Usategui, José María, ROMERO Yesa, Susana, and ANGULO Martínez, Ignacio. Módulo de comunicación serie síncrona: MSSP [Ilustración]. EN: Microcontroladores PIC: diseño práctico de aplicaciones. Segunda parte: PIC16F87X, PIC18FXXXX. (2a. ed.). España: McGraw-Hill España, 2006. P 169

3.7.2.2.

Protocolo de comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit)

El protocolo de comunicación I2C utiliza solamente dos líneas de comunicación de datos entre los dispositivos que están interconectados al bus. Una de las líneas es llamada SDA (Serial Data), es bidireccional y es la encargada de soportar todos los datos. La otra lleva los pulsos de reloj para la sincronización y es denominada SCL (Serial Clock). Los impulsos del reloj son enviados desde el maestro hacia los esclavos y tiene la función principal de sincronizar la transferencia con todos los dispositivos en el bus.32 En la figura 12 se aprecia el bus de comunicación I2C. El bus requiere que haya dos resistencias conectadas de la tensión de alimentación a los hilos SCL y SDA, a estas resistencias se les conoce como pull up y son necesarias para el buen funcionamiento del bus.

32

Ibid., p.173

39

Figura 12. Bus I2C

Fuente. Vesga Ferreira, Juan Carlos, Sinsel, Martin, and Muriel. Eduardo. Módulo I2C (Inter – Integrated Circuit). EN: Microcontroladores Motorola-Freescale: programación, familias y sus distintas aplicaciones en la industria. [Ilustración]. México: Alfaomega Grupo Editor, 2008. P.325

Adicionalmente se necesita que todas las tierras de los dispositivos en el bus estén interconectadas.

A cada dispositivo en el bus de comunicación se le asigna una dirección única para que el maestro pueda enviar la dirección a través del hilo de comunicación y todos los dispositivos dentro del bus la reciban, pero solo el que tiene la dirección enviada por el maestro responderá para iniciar la comunicación

40

4. METODOLOGÍA

En esta sección se abordan los aspectos correspondientes para el diseño y elaboración de este proyecto. Teniendo en cuenta la identificación de necesidades, el análisis del entorno y la definición de características, enmarcado también en lo que ya se ha desarrollado en el marco teórico.

Se expone inicialmente la identificación de las necesidades en donde se indagan aspectos fundamentales con las personas que más se relacionan con las investigaciones sobre el gusano de harina y la lombriz de tierra, esto para realizar una lista de las posibles necesidades o problemas a los que se enfrentan a la hora de realizar las investigaciones pertinentes.

En el análisis del entorno se estudia el sitio en donde se va a realizar el proyecto y se destacan los posibles problemas a los que se ve expuesto el proyecto e identifica los recursos disponibles dentro del laboratorio de zootecnia.

Finalmente a partir del análisis del entorno y la identificación de necesidades se identifican las principales características que el sistema debe tener. Esto se realizó con el fin de tener un punto de partida para empezar a realizar los correspondientes diseños para la cámara de ambiente.

4.1.

IDENTIFICACION DE NECESIDADES

Las diferentes investigaciones realizadas por la facultad de zootecnia, demostraron que la producción de insectos, anélidos y algunas otras especies de animales invertebrados bajo condiciones ambientales controladas, disminuye significativamente el ciclo de vida del animal, por consiguiente aumenta la producción. De acuerdo con esto se decidió desarrollar un mecanismo capaz de controlar las condiciones ambientales para artrópodos sin alas y anélidos.

Con la intención de saber más sobre el tema de estudio y sobre los diferentes problemas de instrumentación y equipos necesarios para las investigaciones se decidió hablar con los estudiantes de la facultad de Zootecnia que estuvieran realizando estudios con los animales invertebrados. En donde se encontró que los estudiantes tenían presente la importancia del control de las variables ambientales en el proceso de producción de los insectos invertebrados, pero admitían la dificultad de realizar y adecuar las unidades experimentales (Figura 13) con las características necesarias para realizar mejores investigaciones.

41

Figura 13. Cajas para almacenamiento de animales invertebrados.

Fuente. Autores

La investigación y producción de animales invertebrados en las cajas plásticas era una tarea complicada y tediosa, además de rudimentaria y poco confiable de realizar los estudios, según manifestaban los estudiantes a cargo de las investigaciones. Por esta razón, para el desarrollo del proyecto era parte fundamental reconocer los principales problemas a los que se afrontaban los estudiantes y así poder determinar las necesidades principales e identificar características que el sistema debía tener. En este sentido, a continuación se listan las necesidades encontradas.  Un control de temperatura diferente para cada unidad experimental, debido a todos los animales de estudio no se desarrollan a la misma temperatura.  El recipiente donde permanecen los animales debe contar con la capacidad de controlar las variables más significativas para su desarrollo (temperatura, fotoperiodo y humedad del suelo).  El depósito en donde se encuentran los animales de estudio debe ser versátil, con la cualidad de dejar al usuario manipular espacio dentro de la probeta (crear divisiones de forma sencilla para la separación de las diferentes etapas de los insectos).  Disminuir el tiempo necesario para el cuidado de los insectos.

Además de contar con las opiniones de los estudiantes de la facultad de Zootecnia, se conversó con el Zootecnista Gonzalo Jiménez docente a cargo de

42

las investigaciones, el cual aportó valiosas ideas y posibles elementos que el sistema podría contener, para mejorar el proceso de investigación con insectos. A continuación, se presentan las recomendaciones más importantes para el proyecto realizadas por el docente:  Capacidad de controlar el fotoperiodo dentro de las unidades experimentales.  Visualización de las variables ambientales desde un computador.  Control de cada unidad experimental por separado.

4.2.

ANÁLISIS DEL ENTORNO

Teniendo en cuenta los problemas planteados por los estudiantes y las recomendaciones del docente para desarrollar mejores estudios con los insectos, se procedió a verificar y observar el ambiente en donde se realizaban los estudios.

Se realizó una visita al laboratorio de zootecnia ubicado en el municipio de Tenjo en la granja pinares de Tenjo. En la visita se encontró que el laboratorio dispone de 9 stand (Figura 14), de 2 metro de alto por 1 metro de ancho y 60 cm de profundidad. Cada stand tiene cuatro divisiones y están distribuidos a lo largo de todo el laboratorio.

Figura 14. Stand

Fuente. Autores

43

El laboratorio cuenta con una excelente distribución eléctrica, lo que facilita la idea de conectar cada mecanismo o unidad experimental a la red eléctrica sin necesidad de agregar extensiones o modificar la distribución eléctrica. También tiene un breaker de gran capacidad lo que indica que no afectaría en nada la cantidad de cámaras de ambiente conectadas a la red. Aunque se conversó con las personas que residen en el parque ecológico pinares de Tenjo y manifestaron que la red eléctrica presenta problemas de intermitencia.

El control de la humedad se facilitaba en gran medida porque se contaba con un sistema de distribución de agua dentro del laboratorio por medio de tubería de 11/2”.

En cuanto al ambiente en la finca de Tenjo se presentan bastantes lluvias, constantes oleadas de viento y la temperatura en horas de la noche y en la madrugada presenta niveles muy bajos lo que justifica la importancia de un sistema de control de temperatura.

4.3.

DEFINICIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA

Estudiando con detenimiento el análisis del entorno y la identificación de las necesidades se definieron los parámetros que el sistema debía cumplir:  Capacidad de albergar y manipular los animales invertebrados de forma segura y sin exponer la integridad del usuario.  Sistema capaz de controlar diversas temperaturas, fotoperiodos y humedad contenida en el suelo para múltiples unidades experimentales.  Sistema autómata y con la capacidad de disminuir al máximo el tiempo empleado por el experimentador.  Ser versátil y ofrecer la fácil manipulación del espacio dentro de la probeta donde están contenidos los animales.  Ofrecer visualización y control del sistema desde un computador central.

El sistema debía estar diseñado con las capacidades previamente mencionadas, para poder suplir de una manera óptima las necesidades para la producción de los animales de la facultad de zootecnia. Así como también debía contar con los componentes de las diferentes cámaras, encontradas a nivel comercial.

Teniendo en cuenta los dispositivos encontrados en el mercado que se enuncian en el marco teórico y las características que debía tener el sistema se decidió realizar una cámara de ambiente controlado, que por sus características se asemeja a las encontradas en el mercado pero con una capacidad menor de almacenamiento de animales invertebrados, ajustadas al laboratorio de Pinares de Tenjo.

44

4.3.1. Limitantes Con una idea más clara del lugar de trabajo y los posibles percances que se podrían presentar, se procedió a trazar los limitantes del proyecto.  La estabilidad eléctrica del entorno afecta al sistema.  La cantidad de presupuesto determinada para el proyecto por la universidad, se tenía que tomar el factor económico como punto clave, debía ser un sistema mucho más económico a los similares encontrados en el mercado.

El presupuesto disponible permitía la construcción e implementación de un sistema capaz de satisfacer todas las necesidades identificadas de una manera óptima y confiable pero con la intención de seguir desarrollando mejores investigaciones en un futuro el sistema se dejó abierto a posibles mejoras.

45

5. PROCESO INGENIERIL En el proceso ingenieril se encuentran los diferentes factores que se tomaron en cuenta para el diseño y elaboración del proyecto, también los procedimientos y elementos claves para la determinación de cada dispositivo o mecanismo contenido en el proyecto.

En primer lugar se seleccionó la topología más adecuada para la comunicación entre las diferentes cámaras de ambiente y el ordenador central, la cual ponía las pautas necearías para el diseño de las cámaras de ambiente controlado.

En segundo lugar se realizó el diseño mecánico para la cámara de ambiente la cual debía atender las necesidades planteadas por los estudiantes y el docente de la facultad de zootecnia. Posteriormente se investigó sobre los materiales más adecuados para la construcción de la caja y se seleccionó el más idóneo de acuerdo con las necesidades planteadas y los recursos disponibles.

En tercer lugar se presenta el diseño electrónico, en donde se seleccionan los actuadores y sensores más eficientes para cada sistema de control (temperatura, humedad y fotoperiodo). Posteriormente se muestran los respectivos circuitos electrónicos para el control de cada variable ambiental, de cada una de las cámaras de ambiente y por último se evalúa el costo para el desarrollo de una cámara de ambiente controlado esto con el propósito de evaluar el proyecto como posible idea de negocio.

5.1.

TOPOLOGÍA DEL SISTEMA

De acuerdo a los sistemas de comunicación planteados en el marco teórico el sistema más adecuado para la transmisión de datos del proyecto es mediante la transmisión serial ya que es un método fácil de utilizar, económico, utiliza menos cantidad de entradas y salidas para la transmisión y los microcontroladores tienen la capacidad de implementar una comunicación serial de una manera sencilla.

Teniendo en cuenta el alcance del proyecto que considera 20 cámaras de ambiente distribuidas a lo largo del laboratorio es primordial seleccionar una topología que permita definir la forma en cómo las cámaras de ambiente intercambiarán información con el ordenador central.

El sistema debía tener la capacidad de controlar y visualizar las variables ambientales de cada cámara de ambiente desde un ordenador central. Para la adquisición de datos y el control de los actuadores es necesario un controlador, el cual es el encargado de recibir las diferentes señales enviadas desde los sensores y a partir de esto tomar una decisión.

Inicialmente es primordial decidir la topología del sistema para determinar qué tipo de controlador utilizar y que características son necesarias que contenga para el

46

buen funcionamiento del proyecto. Las topologías seleccionadas para el proyecto son:  Topología centralizada  Topología descentralizada 5.1.1. Topología centralizada La topología centralizada realiza el control desde una unidad central y es ella y solo ella la que toma las decisiones en el sistema. El controlador central puede ser uno o varios controladores ubicados en una misma tarjeta, esto depende de que tan complejo sea el sistema a controlar y que tantas señales de entrada y salida se manejen.

En la figura 15 se aprecia la topología central aplicada al proyecto en la cual las cámaras de ambiente mandan directamente la señal de los sensores a un controlador central que tiene la función de procesarlas, realizar el respectivo control para el accionamiento de los actuadores distribuidos en la red y ofrecer una interfaz gráfica al usuario en un computador central.

Figura 15. Topología Central

Sensores

Actuadores

Sensores

Incubadora 1

Actuadores

Sensores

Incubadora 2

Actuadores

Incubadora 3 Controlador Central

Incubadora 4

Sensores

Incubadora 5

Actuadores

Sensores

Incubadora 6

Actuadores

Sensores

Actuadores

Fuente. Autores

5.1.2. Topología descentralizada Consiste en dividir el control del sistema en múltiples subsistemas cada uno de estos con un controlador integrado. El sistema está compuesto por un controlador central que es el encargado de dar las órdenes a los demás controladores, se

47

comporta como maestro en la red y los demás son esclavos en términos electrónicos. Este tipo de topología no tiene problema con el número de señales de entrada y salidas ya que se puede dividir en la cantidad de subsistemas que se requiera.

En la figura 16 se observa la topología descentralizada aplicada al proyecto, donde cada cámara de ambiente es un subsistema y por ende tiene cada uno un controlador encargado de la adquisición de las señales de los sensores y el control de sus respectivos actuadores.

Figura 16. Topología descentralizada

Sensores

Actuadores

Sensores

Actuadores

Sensores

Actuadores

Incubadora 1

Incubadora 2

Incubadora 3

Controlador

Controlador

Controlador

Controlador Central

Sensores

Controlador

Controlador

Controlador

Incubadora 4

Incubadora 5

Incubadora 6

Actuadores

Sensores

Actuadores

Sensores

Actuadores

Fuente 2. Autores

Cada subsistema se comunica con un controlador central que tiene la función de recolectar todos los datos de las cámaras de ambiente, presentarlos en una interfaz gráfica para el usuario y controlar las diferentes variables ambientales de cada cámara de ambiente.

5.1.3. Selección de Topología La determinación de la topología determinaría factores fundamentales en el proyecto como costos, complejidad y mantenimiento del mismo proyecto. La tabla 1 realiza una comparación entre las topologías propuestas y se deduce de la misma que la topología centralizada ofrecería un sistema confiable y robusto pero

48

el aumento de cableado y la dependencia de trabajo de todas las cámaras con un solo controlador central deja expuesto al sistema a posibles fallas por lo que se descarta definitivamente. Por otra parte la topología descentralizada ofrece independencia a cada cámara de ambiente y una manera más sencilla de transportarlas, lo que beneficia el transporte y manipulación de las cámaras por el usuario permitiendo también aumentar o disminuir el número de cámaras a controlar.

Tabla 1. Ventajas y desventajas topologías

Topología Centralizada

Ventajas -

Facilidad en detección de fallas Fuente de alimentación centralizada

Desventajas -

-

-

Descentralizada

-

-

-

Disminución de complejidad en diseño de algoritmo Transporte del sistema sencillo Adaptación del sistema rápida y segura Capaz de funcionar autónomamente

-

Aumento de cableado a lo largo del laboratorio Controlador de alto costo Aumento complejidad diseño algoritmo Dependencia total del controlador central Fuente de alimentación propia Necesario un protocolo de comunicación

Fuente. Autores

5.2.

DISEÑO MECÁNICO

Para determinar el diseño de la cámara de ambiente controlado, se tomaron en cuenta las necesidades de las personas encargadas de los estudios con los insectos, los recursos y espacio disponibles en el laboratorio y los diseños de cámaras de ambiente controlados que se pueden encontrar en el mercado, los cuales se han mencionado en el marco teórico.

En la figura 17 se puede observar el diseño mecánico propuesto. Debido al espacio disponible en el laboratorio se realizó una cámara compacta que se define como una cámara diseñada para manejar muestras pequeñas-medianas, tiene la capacidad de controlar humedad y temperatura y son elaboradas en materiales no ferrosos con medidas menores a 1m3.

49

Figura 17. Diseño estructural de una cámara de ambiente controlado

Fuente. Autores, Diseño realizado en software Solidworks

Teniendo en cuenta el diseño de los diferentes mecanismos que están disponibles en el mercado se decidió diseñar el sistema en forma rectangular.

El sistema está compuesto de dos partes fundamentales, la primera parecida a un cajón en la cual se introducen los animales de estudio y es la que directamente va a interactuar el experimentador. La segunda parte es la que contiene al cajón y es donde se encuentran los diferentes actuadores y sensores del sistema. Las dos partes se complementan, para que haya un buen control de las variables ambientales es necesario que el usuario verifique que el cajón este completamente dentro del contenedor.

En la figura 18 se apreciar más detalladamente el diseño del cajón con sus respectivas medidas en milímetros. En la figura a) se puede ver la vista superior del cajón en donde se detallan las dimensiones de cada compartimiento y la cantidad de divisiones máximas en las cuales se puede fraccionar el espacio destinado para la experimentación y producción de animales invertebrados. En la imagen b) se puede observar la vista frontal del cajón y su respectivo tamaño de ancho y alto, también una pequeña perilla para manipular el cajón de una forma más sencilla. En la ilustración c) se aprecia la vista lateral del cajón con su respectiva profundidad. En la imagen d) se expone la vista isométrica del cajón.

50

Figura 18. Vistas cajón en (mm)

Fuente. Autores

Para ver con más detalle el diseño de la cámara de ambiente remítase al anexo A. 5.2.1. Definición material Para la selección del material de la cámara de ambiente controlado era necesario tener en cuenta los siguientes parámetros:    

Material impermeable Resistencia media a la temperatura Material no combustible De peso liviano

De acuerdo a las características mencionadas previamente se estableció una lista de materiales que se acomodaban a los parámetros anteriormente mencionados.

En la tabla 2 se observa algunas de las características más relevantes de los materiales posibles para la construcción del prototipo.

51

Tabla 2.Comparación de materiales

Características

Acrílico Colado

Aglomerado de PVC

Vidrio alto calibre

Resistencia a golpes

Media

Alta

Bajo

Peso especifico

1,20

1,40

2,5

Temperatura máxima (°C)

86

66

Conductividad térmica

0,18

0,12 – 0,25

0,8

Costo

Alto

Bajo

Medio

Facilidad de Manipulación

Baja

Alta

Media

(gr/cm3)

Fuente. Acrilocopaolini, Plasticbages Industrial y Saint-Gobain.

En la tabla 3 aspectos cualitativos para cada material necesarios considerarlos para la selección de un material adecuado para la cámara de ambiente conrolado.

Tabla 3. Otros aspectos

Material posible para el prototipo

Facilidad acceso al material

Aspecto físico del material

Costo construcción: cámara de ambiente controlado

Acrílico

Alta

Alta

Alto

Aglomerado de PVC

Media

Media

Medio

Vidrio de alto calibre

Alta

Alta

Medio

Fuente. Acrilocopaolini, Plasticbages Industrial y Saint-Gobain.

Se concluye entonces que el acrílico era una buena opción pero debido a los elevados costos implicados por los detalles del diseño y su alta complejidad a la hora de manipularlo se descartó. El vidrio ofrecía un buen aspecto y era un material de fácil adquisición, pero era muy frágil a golpes y aún su costo era muy elevado. El aglomerado de PVC era un material de fácil manipulación, económico y muy resistente a los golpes, así que se consideró que era la mejor opción el único inconveniente era su adquisición ya que es un material recientemente lanzado al mercado.

En la tabla 4 se aprecian las propiedades físicas del aglomerado de PVC.

52

Tabla 4. Propiedades físicas del aglomerado PVC

Material

Características generales -

Aglomerado PVC

-

Resistencia a la tracción 30 – 50 N/mm2 Densidad 1.38 g/cm3 Duro y tenaz, se rompe difícilmente Forma estable hasta 60°C Con el frio se hace frágil Gran dilatación térmica Resiste el agua, ácidos y bases débiles, alcohol, gasolina y aceite Sensible al éter, benceno y acetona Resistente a la corrosión Aislante eléctrico Material reciclable Vida útil aproximadamente 60 años

Fuente. Daniel Carrillo. El PVC

Tambien es necesario considerar las características con las que se distingue en la industria el aglomerado PVC.      

Aislante eléctrico Resistente a la corrosión Resistente al ataque biológico (Hongos, bacterias, termitas, roedores, etc.)

Vida útil de aproximadamente 60 años Autoextingible Material reciclable

5.3.

DISEÑO ELECTRÓNICO

Para el diseño electrónico del sistema, inicialmente se seleccionó la topología * que debería seguir el proyecto, el cual determinaría qué tipo de controlador sería el más conveniente usar de los que se encuentran en el mercado. Posteriormente se explica de forma más detallada por qué el microcontrolador es la mejor opción para su implementación en el proyecto.

Definido el controlador como parte fundamental de la cámara de ambiente se procede a realizar un análisis de los diferentes sensores y actuadores posibles para cada uno de los sistemas de control que contiene el proyecto (temperatura, humedad y fotoperiodo) y seguido se presentan los circuitos electrónicos que son necesarios para el buen funcionamiento de cada sistema.

* En

el ítem 5.1.3. se muestra la selección de la topología descentralizada

53

Por último se selecciona el protocolo de comunicación para la transmisión de datos entre los diferentes prototipos y el controlador central, para luego poder ofrecer una interfaz gráfica que permite la visualización y modificación de las variables ambientales de cada una de las cámaras de ambiente controlado conectadas al sistema.

5.3.1. Selección del controlador El sistema requería un controlador robusto, confiable, de fácil programación y por la complejidad del sistema de bastantes entradas y salidas para el control de las variables ambientales de cada cámara de ambiente. Investigando en el mercado se encontraron varios controladores de diferentes gamas pero los que mejor se acomodaban al proyecto eran los microcontroladores y algunos PLC. En la tabla 5 se aprecian las características más relevantes para la selección del controlador. Cualquier controlador tiene las características necesarias requeridas por el sistema por consiguiente se seleccionó el microcontrolador por el precio y la facilidad de programación.

Tabla 5. Comparación de controladores

Características Lenguaje programación

Microcontrolador

de Lenguaje ensamblador (Assembler) Lenguaje C

PLC

Arduino

Amplias formas de programación: Diagrama Eléctrico( Ladder), Diagrama Lógico(FBD), Diagrama Algorítmico(Grafcet)

Processing/Wiring

De robustez media ya que están empotrados en una placa la cual ofrece cierta protección

C++ C

Robustez

Son poco robustos debido a que no tienen alguna protección especial

Son robustos y están diseñados para resistir varios ambientes hostiles

Tamaño

Pequeño, se realiza el circuito electrónico según las necesidades

De gran tamaño ya De tamaño medio, que viene provisto la tarjeta tiene un para estar en tamaño estándar ambientes hostiles

Costo

Bajo

Alto

Medio

Fuente. Autores

En el mercado se encuentran dos grandes marcas de microcontroladores, la familia PIC de microchip y la familia AVR de Atmel. En la tabla 6 se realiza una comparación entre dos microcontroladores seleccionados de cada familia con el mismo número de pines.

54

Tabla 6. Comparación Atmega 328P y PIC 18F2550

Microchip PIC18F2550

Atmel ATmega328

Numero de pines

28

28

Memoria de programa (KB)

32

32

SRAM (KB)

2

2

EEPROM (Bytes)

256

1024

Comunicación serie (USART)

1

1

SPI

1

1

I2C

1

1

USB

1

0

Canales PWM

2

6

Canales ADC (10 bits)

10

6

Timers

1 x 8-bit

2 x 8 bits

3 c 16 bits

1 x 16-bits

2

1

2-5.5

1.08 a 5.05

Max pines I / O

24

23

F. max (MHz)

48

20

Modo de funcionamiento consumo de corriente a 25 °C y 5V

2.2 mA (1 MHz)

5.2 mA (8MHz)

Modo inactivo Consumo de corriente 25° C y 5V

1 mA (1 MHz)

1,2 mA (8MHz)

Precio

13.000 – 17.000 colombianos

Comparadores analógicos Rango de voltaje funcionamiento (V)

de

pesos

8.000 – 11.000 colombianos

pesos

Fuente. Datasheet PIC 18F2550 y Datasheet Atmega 328P

Las características de los dos microcontroladores seleccionados son muy parecidas, varían en cuestiones muy insignificantes si se cuestionan desde el punto de la utilidad que se requiere para el desarrollo del proyecto. A partir de esta similitud se tuvo en cuenta la facilidad de programación y el precio de cada uno de los microcontroladores, por consiguiente se seleccionó el microcontrolador Atmega 328 para el control de cada cámara de ambiente (Para ver la distribución de pines del controlador remítase al anexo D ) y para la adquisición de datos se seleccionó un Arduino el cual será utilizado para recibir los datos de todas las cámaras, para su posterior comunicación con el ordenador central. Se seleccionó Arduino debido a la facilidad de comunicación con el ordenador y la sencillez con la que se manipulan los datos adquiridos desde cualquier software matemático.

55

5.3.2. Temperatura En esta sección se explica el funcionamiento del control de temperatura, se muestran los actuadores y sensores utilizados. El sistema tiene la capacidad de graduar la temperatura iniciando desde la temperatura ambiente hasta 38 grados centígrados.

El rango de temperatura máximo está establecido a 38 grados centígrados debido a que si se manejara una temperatura mayor, pone en riesgo los animales invertebrados y al sistema.

5.3.2.1.

Selección de sensor

Se realizó un estudio sobre los posibles sensores de temperatura que se encuentran en el mercado para determinar las mejores opciones para el sistema, se seleccionaron 3 referencias los cuales contaban con las características necesarias para el censado de la temperatura del sistema, a continuación se muestran en la tabla 7 los sensores preseleccionados con sus respectivas características.

Tabla 7. Selección del sensor

Características

PT100

Sensor de temperatura contra agua (termistor)

Rango de medida

-100°C a 200°C

-30°C a 120°C

-55°C a 150°C

Precisión

0.1°C

1°C

1°C

Voltaje de salida

Dispositivo RTD

Dispositivo RTD

10 mv/°C

Alto

Medio

Medio

Acondicionamiento de señal

Si

No

No

Costo

Alto

Medio

Bajo

Susceptibilidad a interferencias eléctricas

LM35

Fuente. Datasheet Pt100, termistor y Lm35.

Se concluye que la mejor opción sería la termocupla PT100 debido a su precisión y robustez pero por su elevado costo se descarta para la implementación del proyecto. Por otra parte el sensor de temperatura contra agua (Termistor) fue descartado por su poca robustez y fragilidad por lo que se seleccionó el LM 35 que cumple con las características, es económico y presenta un grado de confiablidad alto debido a que el sensor no está expuesto a condiciones hostiles.

56

Otra cualidad del sensor LM 35 es la capacidad de eliminar el acondicionamiento de señal que normalmente requiere debido a que se puede realizar directamente con el microcontrolador sin necesidad de preparar la señal lo que reduce costos y complejidad en la tarjeta electrónica, además es un sensor que cumple los requisitos necesarios para la elaboración y monitoreo de este sistema ya que su instalación es sencilla y la precisión a la que está calibrado es suficiente, ya que el proyecto no demanda gran precisión y si un bajo presupuesto.

A continuación se presentan algunas de las características técnicas de este sensor y su esquema de conexión: Es un circuito integrado sensor de temperatura, su salida es análoga y genera un voltaje proporcional a la temperatura en °C. Algunas características fundamentales del sensor:           

Calibrado directamente en °C Factor de escala lineal +10 mV/°C Precisión garantizada 0.5°C (a +25°C) Rango nominal de –55 a +150 ºC. Adecuado para aplicaciones remotas.

Bajo costo.

Opera desde 4 hasta 30 V. Corriente drenada desde la fuente menor de 60 uA. Bajo auto calentamiento, 0,08 ºC con aire en calma.

No linealidad solamente de ±¼ ºC. Baja impedancia de salida, 0.1 ohmios por 1 mA de carga.

Las características y definición del circuito integrado sensor de temperatura LM 35 fueron tomadas de Texas Instruments33 El voltaje de salida del sensor es directamente proporcional a la temperatura, y se expresa de la siguiente manera: Ecuación 3. Voltaje de salida LM 35

Fuente. Datasheet Sensor LM3534

De la ecuación 3 se puede interpretar el comportamiento del sensor, con respecto a la temperatura, hay un aumento de 10mV por cada grado centígrado.

33

Texas Instruments. Sensores de temperatura LM35 Precisión centígrados. EN: Texas instruments. [Online]. Agosto 1999 - Revisado Enero 2015.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf.

(Citado 5 Julio 2015) 34 Ibid., p.1

57

5.3.2.2.

Diagrama de conexión del sensor LM35

Es importante tener en cuenta la forma de conexión para configurarlo en los rangos adecuados, ya que el sensor tiene dos formas de conexionado, una para medir temperatura de 2°C a 150°C y la otra para medir desde -55°C a 150°C. En el lado izquierdo de la figura 19 se puede apreciar el diagrama de conexión para utilizar el sensor en los rangos de 2°C a 150°C, presenta la ventaja de que no es necesario utilizar una fuente de alimentación con voltajes negativos pero su rango es limitado. En la parte central se aprecia la conexión del sensor para trabajar con todo su rango disponible, es necesaria una fuente de alimentación con voltaje negativo. Y por último al lado derecha la distribución de pines para el LM-35.

Figura 19. Diagrama de conexión LM-35

Fuente. Datasheet LM-3535

La conexión utilizada fue la conexión básica debido a que utiliza una fuente de alimentación simple y el rango de medida está entre lo que se necesita para el sistema.

5.3.2.3.

Selección actuador

Para la selección del actuador se investigaron los diferentes actuadores que hay en la industria y se escogieron dos, el bombillo común el cual se seleccionó por los resultados obtenidos con el trabajo de grado realizado por Bonilla Miguel y Sepúlveda Yesica36 y la resistencia eléctrica o calentador de ambiente que se tuvo en cuenta debido a que las cámaras de ambiente controlado encontradas en la industria utilizan este actuador para la regulación de la temperatura. En la tabla 8 se desarrolla una tabla comparativa la cual muestra las características de los actuadores opcionados.

35 36

Ibíd., p.11 BONILLA y SEPULVEDA. Op. Cit. 80 P.

58

Tabla 8. Tabla comparativa actuador de temperatura

CARACTERISTICAS

BOMBILLO COMUN

CALENTADOR DE AMBIENTE

Permite atenuación

SI

SI

Consumo eléctrico

100W

500W

Emisión de calor

BAJA

MEDIA

Sensibilidad a la humedad

ALTA

MEDIA

Vida útil

BAJO

ALTO

Costo

BAJO

BAJO

Complejidad de Instalación

BAJO

MEDIO

Fuente. Resistencias eléctricas calefactoras37, bombillos incandescentes Philips.

El actuador que mejor se acomoda a las necesidades para el control de temperatura es el calentador de ambiente, debido a que la emisión de calor es más alta que la del bombillo y no emite luz por lo que no afectará el sistema de fotoperiodo.

En la figura 20 se puede observar la apariencia física de la resistencia eléctrica calefactora, esta funciona a 110 V con un consumo de corriente de 4.54 A. Las resistencias eléctricas tienen variedad de usos entre ellos para calefactores de ambiente y en cámaras de ambiente controlado como las que se aprecian en el apartado del marco teórico.

Figura 20. Resistencia Eléctrica, Calentador de Ambiente

Fuente. Autores 37

CETAL, (en línea) Consultado el 13 de agosto de http://www.crntecnopart.com/es/images/stories/crntp/PDFs/calefcetal.pdf

59

2015

Disponible

en:

Adicionalmente de acuerdo con las investigaciones realizadas sobre cámaras de ambiente controlado se dedujo que era necesario implementar ventiladores de 12 voltios para la extracción de calor cuando el calor exceda los límites y además para realizar una convección forzada para mejorar la circulación de calor dentro de la cámara de ambiente y así lograr una mejor distribución de calor más eficiente.

5.3.2.4.

Definición sistema de control de temperatura

Como el objetivo es monitorear y controlar el ambiente, el diseño del sistema de control debe permitir al usuario modificar el set-point del programa, además debe tener la capacidad de adquirir los datos para una posterior visualización.

Para Katsuhiko Ogata un sistema térmico se puede definir como aquel que involucra la transferencia de calor de una sustancia a otra.38 Ecuación 4. Transferencia de calor

Fuente. KATSUHIKO, Ogata. Capítulo 4: Modelado matemático de sistemas de fluidos y sistemas térmicos.

EN: Sistema de control moderno. [Ilustración]. Pearson. 2010. 904p

38

Katsuhiko, Ogata. Capítulo 4: Modelado matemático de sistemas de fluidos y sistemas térmicos.

EN: Sistema de Control Moderna. Pearson 5ta Edición. España: Madrid, 2010. P.136

60

Con la ecuaciĂłn 4 se puede determinar la transferencia de calor que para este caso es por convecciĂłn ya que el medio de transmisiĂłn de calor del sistema es por un medio no fĂ­sico y esta ecuaciĂłn estĂĄ definida por el coeficiente de convecciĂłn y el ĂĄrea normal para flujo de calor. De esta manera este modelado matemĂĄtico, servirĂĄ para modelar el sistema tĂŠrmico que tiene el proyecto.

En la figura 21 se aprecia el modelado de un sistema tĂŠrmico en el cual se tienen en cuenta las perturbaciones que puede tener en sistema Figura 21. Modelado de un Sistema tĂŠrmico

Fuente. KATSUHIKO, Ogata. CapĂ­tulo 4: Modelado matemĂĄtico de sistemas de fluidos y sistemas tĂŠrmicos.

EN: Sistema de control moderno. [IlustraciĂłn]. Pearson. 2010. 904p

A partir de este modelo se diseĂąara el controlador para este proyecto.

En la ecuaciĂłn 5 se puede apreciar los cĂĄlculos realizados para la determinar la funciĂłn de transferencia EcuaciĂłn 5. Calculo funciĂłn de transferencia

Fuente. Ogata

đ??ś = 0,24

đ??žđ?‘?đ?‘Žđ?‘™ ∗ 0,1đ??žđ?‘” (đ??žđ?‘” ∗ °đ??ś)

đ??ś = 0,024 đ??žđ?‘?đ?‘Žđ?‘™/°đ??ś đ?‘…=

1 0,01 đ??žđ?‘”/đ?‘ đ?‘’đ?‘” ∗ 0,24 đ??žđ?‘?đ?‘Žđ?‘™/(đ??žđ?‘” ∗ °đ??ś) đ?‘… = 416.66 °

61

đ??śđ?‘ đ?‘’đ?‘” đ??žđ?‘?đ?‘Žđ?‘™

đ?‘… ∗ đ??ś = 10 Con la funciĂłn de transferencia definida se realizaron las pruebas correspondientes a la funciĂłn de trasferencia para seleccionar la mejor constante proporcional.

En la figura 22 se expone el diagrama de bloques utilizado para someter a la funciĂłn de trasferencia a un paso unitario.

Figura 22. Diagrama de bloques para someter la funciĂłn de trasferencia a un paso unitario.

Fuente. Autores

En la figura 23 se aprecia la respuesta de la planta a un paso unitario. El cual demuestra que el sistema es estable y da las pautas iniciales para el desarrollo del controlador.

Figura 23. Respuesta a un paso unitario

Fuente. Autores

Teniendo en cuenta que los animales no deben tener un cambio brusco en la temperatura se desarrollĂł un control proporcional el cual arrojo la respuesta que se muestra en la figura 24 con una constante proporcional de 20.

62

Figura 24. Respuesta del sistema con controlador proporcional

Fuente. Autores

5.3.2.5.

Control proporcional

El control proporcional o modulante es aquel en el cual la salida del controlador o la señal de control es proporcional al error. Esto quiere decir entonces que entre mayor sea el error, mayor será la señal de control para corregir la posición.39 Ecuación 6. Control proporcional

Fuente. Astrom, Karl J. y Hagglund, Tore. Control proporcional. EN: Control PID avanzado. [Ecuación].

Madrid, España: Pearson, 2009. P.5

39

Díaz Murillo, Rodolfo. Teoría del control de la banda proporcional. EN: Laboratorio de instrumentación y control. México: Instituto Politécnico Nacional, 2010. P. 117

63

La ecuación 6 muestra la expresión algebraica para el control proporcional donde “u”, es la señal de control, “K” es la ganancia del controlador, “Ysp” es la referencia del sistema y “Y” es la señal retroalimentada del sistema. Todo lo anterior se puede expresar de la manera “Ke” que significa la constante de ganancia por el error.40 Figura 25. Sistema de lazo cerrado con un controlador proporcional.

Fuente. KATSUHIKO, Ogata. Reglas de Ziegler-Nichols para la sintonía de controladores PID. EN: Sistema de control moderno. [Ilustración]. Pearson. 2010. P. 570

En la figura 25 se presenta el diagrama para un sistema de lazo cerrado con un controlador proporcional y en la figura 26 se aprecia cómo es la respuesta de un control netamente proporcional, siempre se contará con una pequeña desviación ya que el control proporcional tiene el defecto de que nunca tocará la referencia pero si se acercará lo más posible. Esto pequeño error se corrige implementando un control integral al controlador.

Figura 26. Respuesta control proporcional a escalón unitario

Fuente. KATSUHIKO, Ogata. Efectos de las acciones de control integral y derivativo en el comportamiento del sistema. EN: Sistema de control moderno. [Ilustración]. Pearson. 2010. P. 219 40

Astrom, Karl J. y Hagglund, Tore. Control proporcional. EN: Control PID avanzado. [Ecuación].

Madrid, España: Pearson, 2009. P.5

64

5.3.2.6.

Diseño algoritmo de control

Ya definido los elementos necesarios para el control de temperatura, es necesario desarrollar un código de programación para el control del sistema. El proceso de control de temperatura se divide en dos partes: el control proporcional aplicado a la resistencia eléctrica y el control On/Off para los ventiladores que se encargan de la circulación y extracción del aire dentro de la cámara de ambiente. En la figura 27 se presenta los diagramas de bloques para cada proceso de control: Figura 27. Bloques control proporcional para resistencia eléctrica

Calculo del error (Temperatura deseada – Temperatura medida)

Referencia

Σ

+

Error

Controlador proporcional

Señal de control

Resistencia eléctrica

Salida física (Calor)

Medición de la temperatura actual

Sensor temperatura Fuente. Autores

En la figura se puede apreciar el diagrama básico del proceso de control de temperatura, donde en primer lugar, el usuario define una temperatura referencia, luego se adquiere la lectura del sensor, teniendo estas dos variables se calcula la diferencia y se encuentra el valor del error. Posteriormente se introduce la señal de error al bloque que contiene el control proporcional, el cual se encarga de disponer la señal de control para la resistencia eléctrica. Luego se introduce la señal de control al actuador y por último se vuelve a leer la temperatura en el sistema para repetir el proceso.

En la figura 28 se aprecia el control On / Off para el accionamiento de los ventiladores de extracción y circulación. Para el control del accionamiento de los ventiladores se utiliza la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura referencia y a partir de esto se accionan los ventiladores.

65

Figura 28. Bloques de control On/Off para ventiladores Calculo del error (Temperatura deseada – Temperatura medida) Ventilador de circulación

Referencia

Σ

+

Error

Controlador On/Off

-

Señal de control

Salida física

Ventilador de extracción

Medición de la temperatura actual

Sensor temperatura

Fuente. Autores

A partir del proceso planteado se puede realizar ciertas estructuraciones y realizar un diagrama de flujo que facilite la compresión.

En el diagrama de flujo (Figura 29) para el control de la temperatura se evidencia que el uso de las interrupciones es fundamental para el control de la intensidad del actuador, por ende es necesario dentro del programa activar y desactivar las interrupciones en ciertos momentos para que no afecte en los en los diferentes cálculos y procesos como lo son el muestreo de la temperatura y humedad y el cálculo que se realiza para el control proporcional.

66

Figura 29.Diagrama de flujo temperatura Inicio Temperatura_actual = 0 Temperatura_referencia = 0 Controlador_P = 0 Contador = 5000 Tiempo = 5000

ÂżHay una interrupciĂłn accionada por el cruce por cero?

No

No Contador == tiempo Si

Si Desactivar las interrupciones del sistema SeĂąal para accionamiento actuador 110 V

Activar interrupciones del sistema

Desactivar las interrupciones del sistema

Introducir al controlador proporcional (Temperatura_actual, Temperatura_referencia)

Controlador_P = valor calculado por controlador proporcional

Contador = contador + 1

Contador > tiempo Si

Contador = 0

Fuente. Autores.

67

No

Así mismo, en el diagrama se observa que en el programa se encuentran dos subprocesos, uno llamado accionamiento del actuador de 110 V el cual como su nombre lo dice es el encargado del accionamiento de la resistencia eléctrica y el otro es controlador proporcional que es donde se realiza el control para la temperatura.

Los dos subprocesos mencionado en el diagrama de flujo (figura 27) se aclaran a continuación.

Accionamiento del actuador 110 V En la figura 30 se puede apreciar el principio de accionamiento de los actuadores de 110v Figura 30. Diagrama de flujo para accionamiento de resistencia eléctrica

Inicio

Valor_P = 0

Condición principal

Declaración de variables

Accionamiento actuador

Valor_P < 7865 Si

No

Esperar un tiempo de valor_P en milisegundos

Poner en estado bajo la salida de la resistencia

Poner en alto la salida de la resistencia

Control de la resistencia eléctrica

Esperar un tiempo de 8.33 microsegundos

Poner en bajo la salida de la resistencia

FIN

Fuente. Autores

68

La función accionamiento del actuador es el encargada de preguntar por la variable global “Valor_P” que es la que contiene el valor necesario en microsegundos para el control del disparo del triac y sus rangos van de 0 a 7865 siendo cero el accionamiento total de la resistencia y 7865 apagado de la resistencia. Estos valores son determinados por la ecuación 7.

Ecuación 7. Periodo de una onda

Fuente. Dulce María Andrés Cabrerizo, Juan Luis Antón Bozal, Javier Barrio Pérez. Física y química 4 ESO. Editex. 2008. 280p.

En donde

T = periodo en segundos F = frecuencia

Con la ecuación se determinó el periodo de onda senoidal proveniente de la red eléctrica. El valor obtenido fue 16.66666 milisegundos. Lo que significa que la onda tarda 16.6666 milisegundos en dar un ciclo completo. Dividendo este valor a la mitad se obtiene lo que tarda medio ciclo 8.3333 milisegundos, éstos valores se calculan con el propósito de hacer trabajar el triac en esta sección y poder variar el voltaje de carga en el actuador para tener como resultado una atenuación en el actuador tal y como se aprecia en la figura 31.

Figura 31. Control del disparo del triac

Fuente. Casa Rojas, Diana del Rocio y Regalado Alvarado, Ana Marcela. Módulo didáctico para el control electrónico de potencia del triac. Trabajo de grado tecnólogo especialista en electrónica y telecomunicaciones.

[Ilustración] Ecuador, Quito: Escuela politécnica nacional. 2007. P 48.

69

El valor de la variable “Valor_P” no puede superar los 8.33 milisegundos, por esta razón para un mayor control de la atenuación de la resistencia se trabaja en microsegundos.

Controlador proporcional El sub programa de control proporcional consiste en el cálculo del error entre la referencia y la lectura de la temperatura en el sistema. Para luego aplicarlo a las formulas predeterminadas para un control proporcional y se implementa un límite superior e inferior para la señal de control para trabajar la resistencia entre unos valores específicos. Dentro de la función se asigna el valor correspondiente a la variable “Valor_P” que se utiliza posteriormente en el accionamiento del actuador.

Para mayor información dirigirse al anexo E 5.3.3. Humedad La humedad es una parte fundamental para el desarrollo de las lombrices de tierra y por consiguiente se realizó un control de humedad que es capaz de mantener la humedad de la tierra en condiciones óptimas para el desarrollo de la lombriz de tierra. Para el desarrollo del sistema, se seleccionan inicialmente el sensor y actuador electrónico para el control de la humedad. El sensor estará en contacto con la tierra siempre, pero tomará muestras cada cierta cantidad de tiempo, ya que el sistema de humedad del suelo es un sistema lento lo que quiere decir que la humedad en el suelo no cambia drásticamente. El actuador es el encargado de dejar el paso del agua hacia la tierra y este se acciona electrónicamente desde los circuitos de control 5.3.3.1.

Selección sistema de riego

El sistema demandaba un sistema de riego para el control de la humedad del suelo dentro de la cámara de ambiente. Actualmente existen varias formas de goteo cada una con sus propias ventajas y desventajas. En la tabla 9 se destacan las principales ventajas y desventajas de cada sistema de goteo aplicado al proyecto.

70

Tabla 9. Selección sistema de riego

Sistema de riego Riego por aspersión

Ventajas -

-

Riego localizado

-

Riego por gravedad

-

-

Desventajas

No necesita nivelación de terreno Aplicable a todo tipo de suelos Ahorro de mano de obra Ahorro de agua No necesita nivelación de terreno Aplicable a todo tipo de suelo Ahorro de agua Ahorro en mano de obra Alta uniformidad de riego Cuidadoso con los animales Se aprovecha la pendiente natural del terreno De fácil implementación De muy bajo costo

-

-

-

-

-

Costo elevado de instalación Consumo de energía importante Perdidas por evaporación

Riesgo de obturaciones debido a estrechez de conductos Acumulación de sales Elevado costo inicial

Se requiere de más agua Pérdidas de agua por evaporación y drenaje No tiene uniformidad en el riego

Fuente. Martínez Cortijo, Francisco Javier. Introducción al riego. España: Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia, 2014

El sistema de riego localizado es característico por el ahorro de agua debido a que como su nombre lo dice riega solo una parte del sustrato para este caso tierra y la humedad se propaga, además hay menos pérdidas en la distribución y la aplicación.

Por otro lado es casi nula la necesidad de mano de obra debido a que las tareas pueden programarse mecánicamente.

El manejo de aspersión a escala pequeña se le denomina micro-aspersión y su función es implementar sistemas de riego en los cuales se requiera un método de riego preciso y cuidadoso con las plantas y en este caso con los insectos.

Existen varios tipos de emisores para este sistema, para este caso se va a profundizar un poco más en el gotero Autocompensado que se muestra en la figura 32.

71

Figura 32. Gotero Autocompensado

Fuente. Introducción al riego

Gotero Autocompensado: Regula el caudal, manteniéndolo en lo posible constante frente a las variaciones de presión, mediante un elastómero; de manera que éste contrae el paso a través de él conforme aumenta la presión y lo abre al disminuir la misma41.

5.3.3.2.

Selección de actuador

El actuador necesario para el sistema es una electroválvula ya que éste dispositivo interrumpe o deja pasar el agua a través de una instalación de agua. La característica más importante con la que debía contar la electroválvula era que soportara más de 7 Kg/cm2 ya que la bomba instalada en el laboratorio tenía una capacidad máxima de 10 Kg/cm2 pero usualmente no trabajaba a más de 4 Kg/cm2.

Atendiendo la necesidad más relevante que es la capacidad de presión de la electroválvula y otras no tan importantes como el tamaño, el voltaje y el consumo de corriente, se seleccionó como actuador para el control de la humedad una electroválvula de marca Geerte con las características mostradas en la tabla 10:

41

Op cit. P.81

72

Tabla 10. Características Electroválvula Geerte

Características electroválvula Geerte Modelo 2W-160-15 Peso en gramos 746 g Temperatura de operación -5°C a 80°C Tamaño tubería 1/2" Presión de operación Min 0 Kg/cm2 Presión de operación Max 10 Kg/cm2 Posición NC Consumo amperios 2A Tensión de trabajo 12 V Material Metal Fuente. http://www.amazon.com/Amico-2W-160-15-Position-WaterSolenoid/dp/B008MN5I9U#productdescription-iframe

La electroválvula brinda un grado de confiablidad y robustez bastante alto gracias al material con el que está construida. El consumo de corriente es considerable conforme a su tamaño y capacidad y el voltaje se adapta perfectamente a los subministrados por la fuente de alimentación.

5.3.3.3.

Selección de sensor

Para el correcto funcionamiento del control de humedad era necesario contar con un sensor confiable, sencillo de implementar y que en lo posible no fuera necesario realizar modificaciones para su lectura con el microcontrolador.

Buscando se encontró un sensor de uso y lectura sencilla del mismo, que se le conoce con el nombre de higrómetro SEN0114. Es el sensor más vendido para el uso de medición de humedad retenida en el suelo y su costo es relativamente bajo. Sus características se pueden observar en la tabla 11.

Tabla 11. Características sensor higrómetro SEN0114

Fuente de alimentación

3.3 V – 5 V

Señal de salida de tensión

0 – 4.2 V

Corriente

35 mA

Tamaño

60x20x5mm

Final superficial

Inmersión en oro

Fuente. Datasheet Higrómetro. En línea. Disponible en : http://www.micropik.com/PDF/FC_28.pdf

73

Para poderlo utilizar solo basta con introducirlo en la tierra en la cual se desea conocer la cantidad de agua retenida en el suelo y el sensor arrojara una salida proporcional a la cantidad de humedad en el suelo en voltios de 0 – 4.2 V. 5.3.3.4.

Definición de algoritmo de control de humedad

El control seleccionado para el sistema de humedad fue un ON/OFF, debido a que el actuador empleado para el sistema de goteo es una electroválvula todo o nada, lo que quiere decir que tiene solo dos estados: completamente abierta o completamente cerrada. El esquema general del control del sistema de goteo se muestra en la figura 33: Figura 33. Diagrama de control de humedad

Calculo del error (Humedad referencia – Humedad actual)

Referencia

Σ

+

Error

Controlador ON/OFF

Salida física (Agua)

Señal de control

Electrovalvula

Medición humedad actual

Sensor higrómetro

Fuente 3. Autores

El usuario debe establecer la humedad que quiere alcanzar lo que en la figura se llama referencia, luego con ayuda del sensor higrómetro se mide la humedad actual en la tierra, para después realizar una resta entre la referencia y la obtenida de la lectura del sensor. Posteriormente se introduce el valor obtenido al controlador ON/OFF, que comprueba si la humedad actual está por encima o por debajo de la deseada, a continuación manda una señal de control al actuador que puede ser prendido o apagado y luego repite el proceso.

Definido el control a utilizar en el sistema de humedad se procedió a realizar un diagrama de bloques para definir la manera como se procederá a implementar el código en el microcontrolador, éste se muestra a continuación en la figura 34:

74

Figura 34. Diagrama de flujo sistema de humedad

Inicio

Referencia_humedad = 0 Humedad_actual = 0

Humedad_actual = Lectura del sensor por puerto análogo

SI

Humedad_actual < referencia_humedad

No

Desactivar electroválvula

Accionar electroválvula

Fuente. Autores

El control se realiza con solo dos variables como se aprecia en la figura, la primera es referencia de humedad que se encarga de guardar la humedad deseada por el usuario y por defecto el programa la inicializa en cero, para evitar posibles problemas con el sistema a la hora ejecutar el programa por primera vez. La segunda variable es la humedad actual que tiene como función almacenar el valor leído por el puerto análogo al que está conectado el sensor de humedad y que se refiere a la humedad actual en la tierra. Por último se comparan la humedad de referencia y la humedad actual para determinar si la humedad actual en la tierra está por encima o por debajo de lo deseado y tomar la decisión de accionar el actuador para humedecer la tierra o no.

75

5.3.4. Fotoperiodo El control de fotoperiodo aunque no parezca relevante para la lombriz de tierra ni para el tenebrio molitor es importante para la investigación con otras especies de invertebrados, además esta variable hace parte de los requerimientos establecidos inicialmente.

En esta sección se expone el actuador seleccionado para el control de fotoperiodo, el circuito necesario para el control de la luz en la cámara de control de ambiente y el diagrama de flujo para el proceso programado en el microcontrolador.

5.3.4.1.

Selección de actuador

La luz del día en algunos animales determina su comportamiento y su velocidad de desarrollo por consiguiente la selección del actuador juega un papel importante ya que este puede interferir o no en el proceso de desarrollo del animal. Para la simulación de luz en un ambiente controlado es necesario que la luz en lo posible no emita calor debido a que esto interfiere con el sistema de sistema de control de temperatura y que sea de luz blanca, ya que basándose en las cámaras de ambientes controlados la luz blanca suele ser la más utilizada.

Entre los posibles actuadores para el fotoperiodo, que se acomodarán a las necesidades planteadas para el desarrollo de la cámara de control ambiental se encontraron muchos sistemas de iluminación en el mercado así que se decidió aplicar ciertos filtros para encontrar el adecuado:     

Sistema que se acomodara a las dimensiones de la caja Tensión de funcionamiento 5 V o 12 V De sencilla conexión Lo más robusto posible Luz blanca

Aplicando los criterios de búsqueda anteriormente definidos, se seleccionaron dos actuadores posibles.

-

Cinta de leds Módulo de leds

La cinta de leds como su nombre lo dice es una cinta compuesta por leds, para este caso se utilizaron de color blanco, ofrece una conexión sencilla, su tensión de trabajo el de 12v y es de fácil instalación.

El módulo de leds ofrece las mismas características que la cinta de leds, ya que éste módulo es la misma cintilla de leds pero contenida en un recubrimiento plástico, ofreciendo un grado de robustez y confiabilidad mayor. Su tamaño es más grande que el de la cintilla, su instalación más compleja y su precio más elevado.

76

Al final se decidió implementar el módulo de leds ya que éste iba a estar expuesto a un ambiente con temperaturas variables y humedad en el ambiente producida por la evaporación y su recubrimiento en plástico que recubre los leds lo hace un dispositivo más confiable y fuerte ante condiciones climáticas hostiles.

5.3.4.2.

Definición de algoritmo de control de fotoperiodo

Los módulos leds serán controlados por un tiempo preestablecido por el usuario lo que quiere decir que cuando se cumpla el tiempo cambiará de estado el led, todo esto para simular el día y la noche en lapsos de tiempo iguales.

El sistema tiene la capacidad de asignar a cada módulo de leds un tiempo diferente de encendido y apagado en horas sin el uso de timers, ya que el uso de estos requiere mantener las interrupciones siempre prendidas y el programa debido a su complejidad demanda que se suspendan las interrupciones del microcontrolador por ciertos lapsos de tiempo. El programa está dividido en secciones demarcadas como cuadros, con su respectivo nombre como se aprecia en la figura 35. A continuación se explicará con mayor detalle cada sección con la finalidad de una mejor comprensión del control de la iluminación integrada en la cámara de ambientes controlados.

El programa inicia con la sección “variables” en donde se declaran las variables y arreglos necesarios para el fotoperiodo.

-

-

Tiempo_actual = Es la variable encargada de guardar temporalmente el tiempo que lleva el sistema prendido.

Tiempo_anterior = Guarda el tiempo que ya ha pasado en el sistema.

Fotoperiodo = Es una arreglo de tres posiciones en donde se guardan los tiempos para cada módulo led del sistema. El tiempo guardado en el arreglo es en horas.

Leds = Es la encargada de guardar el valor del pin del microcontrolador donde se encuentran los módulos leds.

I = Es una variable utilizada para trabajar en las diferentes posiciones de la variable fotoperiodo Variable = Se utiliza únicamente para guardar un cálculo desarrollado en el programa Provisional = Arreglo de tres posiciones. Es utilizado para saber el último estado de los módulos.

Luego se encuentra la sección denominada “muestreo del tiempo actual” en donde se asigna a la variable tiempo actual, la función “millis ()” reservada del lenguaje de programación Arduino, la función devuelve el tiempo desde que se llama la función en milisegundos. Posteriormente se convierte el valor del tiempo leído en milisegundos a horas.

La siguiente sección se conoce con el nombre de “ciclo de posiciones”, en donde se utiliza la variable “I” para que funcione como apuntador para los arreglos

77

fotoperiodo, provisional y tiempo anterior. Está compuesto por una condición preguntado por la variable “I”, si la condición se cumple se termina el programa de fotoperiodo hasta que se vuelva a llamar, si no se cumple, entonces pasa a la siguiente sección, “limites fotoperiodo” en la cual se evalúan los valores de tiempo establecidos y guardados en el arreglo fotoperiodo, donde si el tiempo establecido por el usuario es mayor a 24 el programa asume que se desea que el modulo led correspondiente este prendido en todo momento y si es 0 se entiende que se requiere que el modulo led este en todo momento apagado.

Después de la comprobación de los valores de fotoperiodo se encuentra la sección “cálculo del tiempo” la cual es la encargada de realizar el cálculo de la diferencia entre tiempo actual y el tiempo anterior correspondiente, a este cálculo se le realiza valor absoluto y se le asigna a la variable temporal. Luego se pregunta si la variable temporal es mayor o igual al fotoperiodo correspondiente, de ser positivo se asigna al arreglo tiempo anterior ubicado en la posición “I” la variable tiempo actual, de lo contrario pasa a la sección “Cambio de modulo led” en donde se aumenta la variable leds que es la que contiene el pin de los módulos (11, 12, 13) por esta razón siempre que el programa pasa por la sección “Cambio de modulo led” se aumenta en uno, y aumenta la variable “I” en uno. Por último se encuentra el apartado “accionamiento de módulos” que se encarga de cambiar el estado del módulo correspondiente con ayuda del arreglo provisional.

La figura 35 muestra el diagrama de flujo para el control del fotoperiodo en la cámara de ambiente, la cual se separa en secciones debido a su complejidad y para una mejor interpretación.

78

Figura 35. Diagrama de flujo fotoperiodo Inicio

Tiempo_actual = 0 Tiempo_anterior [3] = {0,0,0} Fotoperiodo [3] = {0,0,0} Provisional [3] = {1,1,1} Leds = 11 I=0 Temporal = 0

Leds = leds + 1 I++

Tiempo_actual = milis ()

Tiempo_actual = Tiempo_actual/60000

I == 2 SI

No

Fotoperiodo [I]==0

SI

No

Apague el modulo ubicado en la posición leds

Fotoperiodo [I]>=0 SI

No

Prenda el modulo ubicado en la posición leds

Temporal= Valor absoluto (Tiempo_actual – Tiempo_anterior [I])

Temporal >= Fotoperiodo [I] SI

No

Tiempo_anteriro[I] = Tiempo_actual

Provisional[I] == 1 SI

No

Ponga en estado alto el modulo ubicado en la salida leds

Ponga en estado bajo el modulo ubicado en la salida leds

Provisional[I] = 0

Provisional[I] = 1

FIN

Fuente. Autores

79

5.3.5. Fuente de Alimentación Definidos los actuadores y sensores a utilizar en el desarrollo del proyecto, es necesario diseñar una fuente para la alimentación de los diferentes dispositivos.

La tabla 12 muestra las tensiones a las que funcionan los diferentes dispositivos de mayor importancia dentro del proyecto.

Tabla 12. Tensión y consumo de elementos eléctricos y electrónicos

Dispositivo

Tensión de alimentación

Consumo de corriente

Resistencia eléctrica calefactora

110 V AC

4.54 Amperios

Ventiladores

12 V DC

0.12 Amperios

Electroválvula

12 V DC

0.3 Amperios

Módulos leds

12 V DC

0.125 Amperios

Sensor de temperatura

5 V DC

Mínimo

Sensor de humedad

5 V DC

Mínimo

Microcontrolador

5 V DC

Mínimo

Fuente. Autores

La fuente de alimentación debe tener la capacidad de entregar 5V y 12V, además de poder entregar una corriente de más de 700 mA o 0.7 A. Debido a que el proyecto consta de dos modelos de cámara de ambiente controlados diferentes (Sin humedad y con humedad) se planteó un diseño alternativo para la fuente de alimentación de cada prototipo.

5.3.5.1.

Cámara de ambiente controlado sin humedad

Para el diseño de la cámara de ambiente controlado sin humedad no son necesarias la electroválvula ni el sensor, reduciendo significativamente la cantidad de corriente requerida por el sistema. Como la resistencia eléctrica funciona con un voltaje AC no se tiene en cuenta para el diseño de la fuente de alimentación.

La fuente de alimentación planteada para la cámara de ambiente controlado sin humedad (Figura 36) consta de un transformador con tap central para la reducción de la tensión de la red eléctrica. Posteriormente se realiza el proceso de rectificación de la señal proveniente del transformador por medio de los puentes

80

de diodos y un capacitor de alta capacitancia y por último se regula la tensión requerida por el sistema (5V y 12V).

Figura 36.Fuente de alimentación

Fuente. Autores

Para ver los circuitos impresos realizados para la cámara de ambiente sin humedad diríjase al anexo B. 5.3.5.2.

Cámara de ambiente controlado con humedad

El diseño de la fuente para la cámara de ambiente controlado con el sistema de humedad requiere de un elemento extra, debido a que los transformadores no tienen la capacidad de manejar toda la corriente requerida con el sistema de humedad. Este elemento es un adaptador de 12V que se encarga específicamente de la alimentación de la electroválvula.

Se seleccionó un adaptador de 12 V en vez de cambiar todo el trasformador debido a su facilidad de implementación y a los costos, ya que por ser un adaptador universal se encuentra en el mercado a muy bajos precios (Figura 37).

81

Figura 37.Fuente de alimentación con humedad

Fuente. Autores

Además de incluir el adaptador de 12 V fue necesario implementar un tip 31 para el accionamiento de la electroválvula.

Para ver los circuitos impresos realizados para la cámara de ambiente con humedad diríjase al anexo C. 5.4.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

En el siguiente apartado se exponen los diferentes circuitos electrónicos para cada una de las variables ambientales que la cámara de ambiente debe controlar. Se presenta inicialmente el circuito y la forma de conexión del actuador y sensor de temperatura, luego el higrómetro y la electroválvula para el control de humedad y finalmente el circuito necesario para el accionamiento de los módulos leds (Fotoperiodo).

5.4.1. Circuitos para control de temperatura Los circuitos asociados al control de la temperatura están compuestos por dos partes fundamentales, el circuito de cruce por cero que es el encargado de sincronizar la red eléctrica con el microcontrolador, parte importante para graduar

82

de manera óptima la intensidad del actuador y el accionamiento de la resistencia de 110 V. Para la lectura del cruce por cero es necesario implementar las interrupciones en el microcontrolador, para que se realice de una forma eficiente y no afecte los demás procesos de control programados en el microcontrolador.

5.4.1.1.

Lectura del sensor

La lectura del sensor es parte fundamental para el buen funcionamiento del control de intensidad del actuador. En la figura 38 se muestra la forma de conexión del sensor LM-35.

Figura 38. Lectura sensor

Fuente. Autores

Los pines uno y tres son la polarización del sensor y el pin dos es la de la señal de salida. El capacitor se utiliza para eliminar el ruido electrónico y así poder leer de forma más exacta y precisa el sensor.

83

5.4.1.2.

Cruce por cero

El circuito de cruce por cero es necesario para sincronizar la red eléctrica con el microcontrolador. El circuito tiene como finalidad detectar cuándo la onda sinodal generada por la red eléctrica corta el eje horizontal, es decir como su nombre lo indica cuándo cruza por cero (figura 39), esto es necesario para el control de la intensidad del actuador.

Figura 39. Detección de cruce por cero

Fuente. Gan Cuba, Wilson Antonio. Diseño e implementación de un sistema electrónico de monitoreo y mando vía web, a través de internet. [Ilustración]. Trabajo de grado Ingeniero de electrónica. Colombia, Norte de Santander, Pamplona: Universidad de Pamplona. Departamento de ingenierías eléctrica, electrónica, sistemas y telecomunicaciones. 2006. P. 31

En la figura 40 se puede observar que la señal proveniente de la red eléctrica es conectada directamente a un puente de diodos el cual modifica la onda senoidal a una señal pulsante positiva. Luego pasa por una resistencia de kilo – ohmios la cual tiene como propósito proteger al dispositivo que prosigue el opto-acoplador, este último tiene la función de reconocer cuándo la onda pulsante pasa por cero y mandar una señal al microcontrolador, que será interpretada como una interrupción para luego realizar el control de intensidad del actuador. .

Figura 40.Sincronización de red con microcontrolador

Fuente. Autores, en Software Proteus.

84

5.4.1.3.

Accionamiento actuador 110 V

La segunda parte del control de temperatura, es el accionamiento del actuador de 110V, que por medio del control del ángulo de disparo de un Triac (figura 41) se puede lograr el control de la intensidad de un actuador que funcione con la tensión de la red eléctrica desde un microcontrolador42.

Figura 41. Control Actuador 110V

Fuente. Autores, Software Proteus.

Para el control de intensidad del actuador el microcontrolador trabaja con una interrupción ubicada en el pin 4 y se le denomina INT0. Cuando hay un cambio de estado entra al apartado del programa donde se prepara el Triac para ser disparado. En la figura 42 se observa cómo a partir del control del disparo del Triac se puede regular el voltaje en la carga o actuador.

Figura 42.Control de voltaje de una carga de corriente alterna (CA)

Fuente. Casa Rojas, Diana del Roció y Regalado Alvarado, Ana Marcela. Módulo didáctico para el control electrónico de potencia del Triac. Trabajo de grado tecnólogo especialista en electrónica y telecomunicaciones. [Ilustración] Ecuador, Quito: Escuela politécnica nacional. 2007. P 46.

42

Ibíd. 46p

85

5.4.1.4.

Control accionamiento ventiladores

Adicionalmente se necesita un pequeño circuito para el control de los ventiladores de extracción y circulación figura 43 este consta de dos Tip 31c los cuales se encargan de accionar los ventiladores por medio de la señal de 5V entregada por el microcontrolador.

Figura 43.Accionamiento ventiladores

Fuente. Autores

5.4.2. Circuitos para el control de humedad La humedad contenida en el suelo se controla mediante el control del sistema de goteo mencionado en el marco teórico. A continuación se muestran los circuitos necesarios para el control de humedad y la forma de conexión del higrómetro y la electroválvula.

5.4.2.1.

Lectura de higrómetro SEN0114

El higrómetro tiene la cualidad que es muy fácil de usar y de conectar debido a que el mismo sensor tiene un pequeño circuito que se encarga de acondicionar la señal obtenida y prepararla para que sea de fácil lectura por cualquier controlador.

En la figura 44 se expone la simulación del circuito y la forma de conexión del sensor.

86

Figura 44. Sensor higrómetro SEN 0114

Fuente. Autores

El higrómetro debe estar conectado a una fuente de 5 V para arrojar una señal de 0 – 4.7 V dependiendo de la humedad contenida en el suelo, donde 0 V es completamente seco y 4.7 V es completamente húmedo. Cuando el sensor está inmerso en agua o en un medio que es conductor dará una salida de 4.7 V y cuando esta al aire sin contacto arrojará 0 V. 5.4.2.2.

Accionamiento Electroválvula

Para el control de la electroválvula de 12 V desde el microcontrolador es necesario implementar un transistor que permita el accionamiento del actuador desde el microcontrolador. En la figura 45 se aprecia el esquemático para la conexión del actuador de 12V accionado desde una señal del microcontrolador. El transistor trabaja como un interruptor, trabajando inicialmente en zona de corte, cuando se desea activar la electroválvula se manda una señal a la base del transistor pasando a zona de saturación.

87

Figura 45. Accionamiento electroválvula

Fuente. Autores

5.4.3. Circuitos para el control del fotoperiodo Para el accionamiento del módulo de leds que trabaja a una tensión de 12 V, a partir de una señal de 5 V proveniente del microcontrolador, fue necesario utilizar transistores tal y como se muestra a continuación.

5.4.3.1.

Circuito accionamiento leds

Dentro de la cámara de ambiente se instalaron tres módulos leds los cuales dan la posibilidad de experimentar con tres fotoperiodos diferentes, sin que uno afecte al otro. Esto con el fin de que pueda ser utilizado para experimentación o para producción de animales invertebrados.

88

Como se aprecia en la figura 46 nuevamente se utiliza un transistor para el control de un actuador de 12 V controlado desde un microcontrolador. Cada se単al led proviene de un pin diferente del microcontrolador y trabajan independientemente.

Figura 46. Circuito accionamiento leds

Fuente. Autores

89

5.4.4. Selección de protocolo de comunicación Inicialmente se realizó una comparación entre las principales características de cada protocolo de comunicación la cual se aprecia en la tabla 13.

Tabla 13. Características Protocolos SPI y I2C

SPI

I2C

Velocidad de transmisión

Hasta 10Mbps

100Kbps – 3.4Mbps

Distancia

Distancias muy cortas 10 – Aproximadamente 20 cm metros

Numero de dispositivos

Limitado por cantidad de Si se usan 7 bits para las pines del controlador direcciones hasta 128

Numero de hilos

4

18

3

Fuente. SPI. Punto Flotante. Empresa desarrolladora http://www.puntoflotante.net/COMUNICACION-SPI-TUTORIAL.htm.

de

sistemas

electrónicos.

Visitar

I2C. Vesga Ferreira, Juan Carlos, Sinsel, Martin, and Muriel. Eduardo. Módulo I2C (Inter – Integrated Circuit).

EN: Microcontroladores Motorola-Freescale: programación, familias y sus distintas aplicaciones en la industria.

[Ilustración]. México: Alfaomega Grupo Editor, 2008. P.323- 332

Debido a que el alcance del proyecto es interconectar 20 cámaras de control ambiental distribuidas en el laboratorio de zootecnia, se descarta por completo el protocolo SPI debido a que la su distancia de comunicación es muy corta y la cantidad de dispositivos que se pueden añadir al bus es muy limitada. Por el contrario el protocolo I2C ofrece una distancia más acorde a las necesidades del proyecto y la capacidad de interconectar gran cantidad de dispositivos dentro del bus sin presentar problemas.

5.4.5. Sistema de visualización Teniendo el prototipo mecánico, los controladores y los sistemas electrónicos se procede a estudiar el sistema visualización y control.

El sistema de visualización debe contar con la capacidad de presentar los datos de las 20 cámaras de ambiente independientemente. Debe permitir al usuario variar las condiciones según sus requerimientos y muy importante debe ser amigable con el usuario, es decir debe ser de fácil manejo.

5.4.5.1.

Matlab

Matlab es un software que permite la adquisición, visualización y el análisis de datos. Proporciona gran versatilidad, velocidad y confiabilidad por lo que fue seleccionado, así mismo este software facilita el desarrollo y manejo de la interfaz gráfica.

90

Además la Fundación universitaria Agraria de Colombia cuenta con la licencia de este software para hacer cualquier aplicación académica, lo cual facilita la implementación de éste en el Ecoparque Pinares de Tenjo sede Agrícola de la Universidad 5.4.5.2.

Configuración del software

En primer lugar para la realización de la interfaz se debe escribir en el área de comandos de Matlab el comando GUIDE, esta herramienta permite la creación de graficas en 2D y 3D y además la creación de interfaces gráficas para el usuario.

Luego de escribir el comando y ejecutarlo se abre una ventana como la que aparece en la figura 47 Figura 47. Abrir GUIDE

Fuente. Sitio web Matlab

Para este caso se selecciona Blank GUI (Default) que es la que se utiliza para realizar una interfaz desde cero es decir en blanco. Luego de seleccionar esta opción aparece el entorno en donde se procede a realizar la interfaz (Figura 48)

91

Figura 48. Entorno Guide Matlab

Fuente. Sitio web Matlab

Posteriormente se procede a realizar el diseño teniendo en cuenta la cantidad de variables a controlar, las características que debe tener el sistema y la parte estética con la que debe contar la interfaz.

El sistema de visualización debe tener la posibilidad de que el usuario visualice el valor de las diferentes variables de temperatura, humedad y fotoperiodo, además debe tener la capacidad de controlar desde la misma visualización las variables anteriormente mencionadas. Esto para ofrecer al usuario la posibilidad de variar las condiciones ambientales dentro de la cámara de ambiente según sus requerimientos.

92

Figura 49. Interfaz Grafica

Fuente. Autores

Para ver el código desarrollado para la interfaz gráfica remítase al anexo F. 5.5.

PRESUPUESTO

Para la elaboración de una cámara de ambiente que controla humedad, temperatura y fotoperiodo el costo aproximado fue de $418.250, en la tabla 14 se puede apreciar con más detalle.

Tabla 14. Presupuesto

Ítem 1 2 3 4

Material Lamina Aglomerado de PVC Materiales Mecánicos Materiales Electrónicos Mano de obra TOTAL

Vlr. Cámara de Ambiente $ 95.250 $ 70.000 $ 73.000 $ 80.000 $ 318.250

Fuente. Maudasa, Ivim, Tdrobotica, Agromantos y Autores.

Como se puede apreciar en la tabla el valor total que aparece es $318.000 pero este valor es solo teniendo en cuenta en valor neto de la caja, los $100.000 pesos restantes son los honorarios contemplados por los autores, pero cabe aclarar que estos honorarios no fueron cobrados, solamente contemplados.

93

6. RESULTADOS METODÓLOGICOS

6.1.

DIAGRAMA FUNCIONAL DEL PROYECTO

El diagrama funcional del proyecto establece de una manera muy general cómo está compuesto el sistema.

En la figura 50 se expone la forma cómo se planteó y desarrolló el proyecto, donde un usuario tendría la capacidad de manipular y visualizar las variables ambientales de las cámaras de control de ambiente desde un computador central.

Figura 50. Diagrama funcional del proyecto SENSOR

ACTUADOR Cámara de ambiente controlado 1 SENSOR

ACTUADOR

COMUNICACIÓN

Cámara de ambiente controlado 2

SENSOR

ACTUADOR Cámara de ambiente controlado3

Fuente. Autores

94

6.2.

DIAGRAMA FÍSICO DEL PROYECTO

En la figura 51 se aprecia de forma general cómo está compuesta cada una de las cámaras de ambiente controlado. Se detalla los actuadores y sensores correspondientes para cada sistema de control y la comunicación entre el microcontrolador de la cámara y el Arduino a través del protocolo de comunicación I2C. Figura 51. Diagrama físico del proyecto Cámara de ambiente controlado

Higrómetro SEN0114

Electroválvula

Sensor LM 35

Ventiladores

Protocolo I2C

Microcontrolador

Arduino

USB

Resistencia eléctrica

Módulos led

Fuente. Autores.

6.3.

ESTRUCTURA MECÁNICA CÁMARA DE AMBIENTE CONTROLADO

Para la construcción del prototipo planteado en el diseño mecánico fue necesario la contratación de personal con las herramientas necesarias para el corte y ensamble del PVC. La lamina de PVC adquirida para la elaboración del proyecto media 1.44 X 2.44 metros con un espesor de 9mm. Para el corte de la lámina fue necesario utilizar una sierra eléctrica y para su ensamble se utilizó soldadura PVC para evitar filtraciones de agua, que por lo general es implementada como pegamento para tuberías PVC y tornillos auto roscantes para darle una mayor fijación al prototipo.

La cámara de ambiente tiene unas medidas de 30 X 30 X 60 cm y el cajón interno tiene 15 cm de alto, 48 cm de ancho y 25 cm de profundidad. El cajón no entra hasta el fondo del contenedor porque es necesario dejar un espacio entre el contenedor y el cajón internamente para la instalación del sensor de temperatura,

95

debido a que en este espacio presenta una temperatura igual al que se encuentra en el área destinada para los invertebrados. También tiene la capacidad de dividir el cajón en 6 partes iguales. Para la construcción de un prototipo se utiliza en promedio 72 cm X 122 cm en toda la estructura, con sus correspondientes divisiones y retoques de la cámara ambiental. La figura 52 corresponde a la estructura mecánica de la cámara de control de ambiente.

Figura 52. Estructura mecánica

Fuente. Autores

Con la cámara de ambiente construida, se procedió a realizar pruebas de humedad como se aprecia en la figura 53, éstas consistían en llenar el cajón con agua y verificar que no se presentara goteo por ningún lado. Esto para comprobar que los cajones no tuvieran problemas de filtración en el momento del accionamiento del sistema de control de humedad del suelo.

Figura 53. Prueba de humedad

Fuente. Autores

96

6.4.

INSTALACIÓN DE ACTUADORES Y SENSORES

El adecuado posicionamiento de los sensores y actuadores es fundamental para el control de las variables ambientales a controlar en la cámara de ambiente, por consiguiente es importante evaluar en qué lugar del dispositivo se posicionará cada sensor y actuador. A continuación se muestra en qué lugar se ubicaron cada actuador y sensor para el sistema de temperatura, humedad y fotoperiodo.

6.4.1. Temperatura Realizando un recuento los elementos necesarios para el control de temperatura son: -

Resistencia eléctrica Ventilador de extracción Ventilador de circulación Sensor de temperatura LM35

En la figura 54 se aprecia la instalación de la resistencia eléctrica, el sistema de convección forzada y la protección de la parte superior de la cámara de ambiente con mica. La resistencia se instala en la parte superior de la caja en conjunto con el sistema de convección forzada. El sistema de circulación consta de una “flauta” en conjunto con el ventilador para la distribución del aire caliente. El ventilador se acciona y hace circular el aire por medio de un tubo con agujeros de diferentes tamaños para ofrecer una mejor distribución del calor dentro de la cámara.

Figura 54. Sistema de temperatura

Fuente. Autores

97

El sensor de temperatura se instaló en el espacio que se deja entre el cajón y el contenedor (figura 55). Se decidió instalar el sensor en este espacio ya que no intervenía con la apertura del cajón dispuesto para los animales invertebrados y a su vez con un ajuste en la lectura del sensor por software se podía tener con exactitud el valor de temperatura que se tenía en los espacios con los animales invertebrados.

Figura 55. Instalación sensor

Fuente. Autores

6.4.2. Humedad Teniendo en cuenta las secciones anteriores, para el control de humedad se utilizaron: la electroválvula, goteros auto compensados y sensor de humedad del suelo (Higrómetro).

En la figura 56 se puede detallar la instalación de los goteros, como se puede apreciar cada cámara de ambiente cuenta con seis goteros distribuidos en toda la caja lo que brinda la posibilidad de una distribución uniforme de agua por todo el sustrato

98

Figura 56. Sistema de goteo

Fuente. Autores

En la figura 57 se muestra la ubicación del sensor, se ubica dentro del cajón debido a que por obvias razones debe estar en contacto con el sustrato para medir el porcentaje de humedad, también cabe destacar que esta parte del sistema cuenta con un plug para desconectarlo cuando necesiten sacar el sensor.

Figura 57. Instalación de Higrómetro

Fuente. Autores

En la figura 58 se presenta la instalación de las respectivas mangueras para la distribución de agua dentro de la cámara de ambiente, en el momento de la instalación se conecta la electroválvula en la parte derecha.

99

Figura 58. Instalación de actuador

Fuente. Autores

6.4.3. Fotoperiodo En la figura 59 se muestra la instalación de los leds para el control de fotoperiodo, como se puede ver hay tres tiras de leds, las cuales permiten el control de tres fotoperiodos diferentes dentro de una misma cámara de ambiente.

Figura 59. Instalación de Leds

Fuente. Autores

6.5.

PRODUCTO FINAL

En esta sección se van a presentar los resultados obtenidos en el proyecto. Se mostrará detalladamente la apariencia física del sistema.

100

6.5.1. Apariencia física cámara de ambiente En la figura 60 se presenta el producto final de la cámara de ambiente controlado, se puede ver la ubicación de las tarjetas electrónicas (váquelas) que fueron ubicadas en la parte posterior de la cámara con el fin de que el usuario no tuviese contacto directo con la parte eléctrica - electrónica, esto da un índice de seguridad mayor para el uso del equipo.

Figura 60.Cámara de Ambiente controlado

Fuente. Autores

Se evidencia los detalles realizados al sistema como lo son, la perilla para una fácil manipulación del cajón, la instalación de angeos en la parte superior de cada división, esto con el fin de que los animales que estén contenidos en el cajón no se salgan de este.

6.5.2. Interfaz gráfica La interfaz gráfica ofrece un manejo amigable y sencillo de utilizar. Lo primero que se debe hacer es abrir el software Matlab y abrir el archivo llamado “interfaz” dentro del mismo equipo. Luego es necesario ejecutar el programa para que el sistema pueda reconocer todos los dispositivos dentro del bus I2C. En la figura 61 se aprecia la ventana inicial que se muestra cuando ya el sistema ha logrado establecer la comunicación con los dispositivos en el bus. La interfaz cuenta con la posibilidad de seleccionar la cámara a monitorear con un menú desplegable ubicado en la parte superior izquierda, la cual va de la cámara 1 a la 20.

101

Figura 61. Interfaz gráfico desarrollado en Matlab

Fuente. Autores

La interfaz cuenta con dos modos de trabajo: Modo lectura y modo escritura. El modo lectura permite al usuario visualizar las variables de temperatura, humedad, fotoperiodo y constante proporcional (Kp), esta última es solo manejable por el programador. El modo escritura permite modificar las referencias de temperatura, humedad, los tiempos para el fotoperiodo y el control proporcional. La interfaz permite tener el control de cada una de las cámaras de ambiente y visualizar desde un punto central el comportamiento de cada una.

6.6.

INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS EN EL ECOPARQUE PINARES DE TENJO

Para la instalación de los prototipos que contaban con el control de fotoperiodo y temperatura solo era necesario el suministro de toma eléctrica por lo que quedaron funcionando 100%. Pero con las cámaras que adicionalmente controlaban humedad no se pudo hacer la instalación completa debido a que para esto era necesario la adecuación de tuberías con la que no cuenta el laboratorio en este momento, pero el sistema queda dispuesto para su instalación completa en cuanto se adecue el laboratorio. Éstas cámaras funcionan controlando temperatura y fotoperiodo, solo la parte que no se ha instalado es la de suministro de agua por lo tanto por ahora no se puede controlar humedad.

102

En la figura 62 se puede apreciar las cรกmaras de ambiente ya instaladas y funcionando.

Figura 62. Distribuciรณn de cรกmaras en laboratorio

Fuente. Autores

103

7. CONCLUSIONES

 Con este proyecto se logró construir un sistema de monitoreo y control que permite variar las condiciones ambientales para el proceso de producción del gusano de harina (Tenebrio molitor) y lombriz de tierra.  Se identificaron las características principales para el desarrollo de los insectos invertebrados y gracias a esto se logró simular el ambiente idóneo para el desarrollo de las respectivas especies.  Al controlar las variables ambientales básicas de los animales invertebrados se da como resultado un aumento considerable en la producción de los mismos y brinda a los estudiantes la posibilidad de realizar estudios veraces y en menor tiempo.  Gracias al sistema de monitoreo y control de las cámaras de ambiente las personas a cargo de las investigaciones con los animales invertebrados pueden interactuar mejor con el sistema y por consiguiente cuentan con un soporte a sus investigaciones.  La distribución del proyecto en subsistemas facilita el mantenimiento del sistema.  El sistema de calefacción cumple con los requerimientos aunque es un poco lento debido al comportamiento natural de un sistema térmico  El diseño estructural del sistema brinda al usuario la posibilidad de maniobrar el sistema sin ningún riesgo eléctrico.  La temperatura ambiente afecta el comportamiento de la temperatura en el interior de la cámara, ya que sus fuertes variaciones, pueden llegar a producir un aumento o disminución en la temperatura en el interior del recinto, convirtiéndose en una perturbación sobre la salida del proceso.  Una correcta selección del protocolo de comunicación contribuye a disminuir costos operativos y permite una comunicación sencilla entre los diferentes dispositivos dentro de la red.  El material seleccionado para el diseño estructural de la caja brinda la posibilidad de controlar la temperatura sin riesgo de deformaciones y además da la posibilidad de controlar la humedad sin filtraciones.  El diseño electrónico brindo la posibilidad de controlar un actuador de 110v de forma segura y eficaz.  El control directo de una carga resistiva de 110v presenta fallas cuando se realiza con un circuito PWM (Modulación por ancho de pulsos) convencional debido a esto se seleccionó un circuito que involucra un detector de cruce por cero y accionamiento del actuador a través de un triac.  El diseño de un algoritmo de control capaz de manejar todas las variables ambientales desde un solo microcontrolador disminuye considerablemente el costo del proyecto, aunque aumenta su complejidad.

104

 El protocolo I2C ofreció la posibilidad de interconectar las cámaras de ambiente de una forma sencilla y amigable con el programador, debido al poco hardware requerido para su implementación.  Es importante considerar muy detalladamente el consumo de corriente de los dispositivos ya que de no tenerse en cuenta puede afectar a la lectura de los sensores y por consiguiente muestrea de una manera errónea las variables ambientales dentro de la cámara ambiental.

105

8. RECOMENDACIONES

Para futuras investigaciones relacionadas con sistemas de control de ambiente se recomienda:  El entorno en donde van a estar ubicadas las cámaras no tengan ningún otro tipo de control de ambiente ya que esto puede perjudicar el control de temperatura del sistema.  Aunque el sensor de temperatura LM-35 atendió las necesidades y cumplió con su funcionamiento, para próximas investigaciones se recomienda la elección de un sensor un poco más robusto.  Se podría implementar un sistema que permita subir los datos a internet para un monitoreo y control de forma inalámbrica.  Para evitar el cableado de las cámaras de ambiente controlado hacia el controlador central se puede implementar un sistema de comunicación inalámbrico.  Mejorar el servicio de energía eléctrica por medio de la generación con energías no convencionales.

106

BIBLIOGRAFÍA Alex, T. (1994). Crianza y manejo de lombrices de tierra con fines Agricolas.

España: Centro Agronomico tropical de investigacion y enseñanza.

Alvarado, D. d. (27 de Agosto de 2007). Módulo didáctico para el control electrónica de potencia del triac. Quito, Ecuador.

Arney, R. P. (1993). Refigeradores y calefactores. En R. P. Arney, Adquisición y distribución de señales (pág. 84). España: Marcombo.

Bonilla, M., & Sepulveda, J. (2014). Efecto de la temperatura y fotoperiodo sobre la cría en cautiverio del gusano de harina (Tenebrio molitor), y su influencia sobre parámetros productivos. Bogotá D.C.: Tesis Fundación Universitaria Agraria de Colombia.

C., G. N. (1996). Manual de diseño de calefacción, ventilación y aire acondicionado . Madrid : McGraw-Hill Interamericana.

Carlos, B. (2001). Diccionario de las ciencias agropecuarias . Argentina: Encuentro grupo editor.

Casa Rojas, D. d. (2007). Modulo didactico para el control electrónico de potencia del triac. Quito: Escuela politecnica nacional.

Castro, R. M. (2014). Electrónica. Mexico: Grupo Editorial Patria.

Cengel, Y. (2007). Transferencia de calor y masa. Mc Graw Hill.

Dogan, I. (2008). Programación de microcontroladores PIC. España: Marcombo.

Dulce Maria, A. C. (2008). Fisica y Quimica. Editex.

Francisco, M. (2014). Introdución al riego. España: Univerisdad politecnica de valencia .

G, B. (2004). Criação de Tenébrio molitor para alimentação de curiós durante a estação de cria. Brasil.

G.R, F. (1998). Biodiversidad de antropodos argentinos: Una perspectiva biotaxonomica. Agentina: Ediciones sur.

Gonzales, M. S. (2014). Diseño de redes telemáticas. España: RA-MA Editorial.

Hagglund, K. J. (2009). Control PID avanzado. España: Pearson.

Havrella, R. A. (1983). Fundamentos de calefacción, ventilación acondicionamiento de aire. México: McGraw-Hill Interamericana.

y

Ivan, E. (2009). Biologia. Argentina: El cid editor.

José María Angulo Usategui, S. R. (2006). Microcontroladores PIC: diseño práctico de aplicaciones. Segunda parte: PIC16F87X, PIC18FXXXX. (2a. ed.).

España: MCGraw-Hill.

107

Juan Carlos Vesga Ferreira, M. S. (2008). Microcontroladores Motorola-Freescale: programación, familias y sus distintas aplicaciones en la industria. Mexico: Alfaomega.

Juan, C. J. (2013). Camara de ambiente controlado para la supervivencia de plantas e insectos . Medellin, Colombia: Universidad pontificia Bolivariana.

Lopez, L. (2010). Temas de física. España: Editorial club universitario.

Lopez, Z. (2005). Redes de transmision de datos. Hidalgo: Universidad Autonoma del Estado de Hidalgo.

Murillo, R. D. (2010). Laboratorio de instumentación y control . Mexico: Instituto Politécnico Naciona.

Ogata, K. (2010). Sistema de Control Moderna. Madrid: Pearson .

Reyes, C. A. (2006). Microcontroladores PIC. Programacion en BASIC. QuitoEcuador: RISPERGRAF. Robert, G. N. (1996). MAnual de diseño de calefaccion, ventilacion y aire acondicionado . Madrid: McGraw- Hill Interamericana.

Texas Instruments. (1999). Sensor de temperatura LM35.

Tokheim, R. L. (2008). Electrónica digital: principios y aplicaciones (7a. ed).

España: McGraw-Hill.

Vicente, I. (2007). El gusano de harina- Tenebrio molitor. en linea.

108

CIBERGRAFIA

-

-

Datasheet sensor LM35 Texas instrument.

Disponible en: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf Arian control & instrumentaci贸n.

Disponible en: http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf, http://www.arian.cl/downloads/nt-001.pdf Plasticbages industrial, Disponible en: http://www.plasticbages.com/caracteristicaspvc.html Manual de uso del acr铆lico Paolin, Disponible en :http://www.paolinisa.com/pdfs/manual_de_usopaolini.pdf Propiedades del vidrio Saint-gobain Disponible en: http://www.saint-gobainsekurit.com/es/glazingcatalouge/propiedades-del-vidrio#a2 El PVC, Disponible en: http://es.slideshare.net/dcxox/pvc-propiedadesaplicaciones-e-impacto-ambiental

109

ANEXO A VISTAS DISEﾃ前 MECANICO DE LA CAMARA DE AMBIENTE CONTROLADO

ANEXO B TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PARA CAMARA CON HUMEDAD

110

111

112

113

ANEXO C TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PARA CAMARA SIN HUMEDAD

114

115

116

ANEXO D DISTRIBUCION DE PINES ATMEGA 328

117

ANEXO E PROGRAMA CAMARA DE AMBIENTE CONTROLADO CON HUMEDAD #include <Wire.h> #include <EEPROM.h> // para guardar en la eeprom int Revisar = 0; // VARIABLE DE VERIFICACION DE PROBLEMAS int Contador = 0; // VARIABLE PARA FALLA DE TEMPERATURA GRAVE int indicador = 0; double time = 5000; // cada cuanto se leer los sensores+ double contador=time; int Sobrepaso = 0; // Variable para controlar subidas de temperatura // temperatura int kp = 22; double valor_pid; // valor para control de resistencia int referencia_temp=26; // temperatura deseada double temp_actual; // guarda la temperatura actual // humedad double ref_humedad = 0; // si es 0 se asume como nula double humedad; // tiempos fotoperiodos en minutos unsigned long tiempo_actual; // guarda el tiempo actual int tiempo_foto[3]={0,0,0}; // tiempo en horas para fotoperiodos int Provisional[3]={1,1,1}; unsigned long tiempo_ant[3]={0,0,0}; // para que solo aga una vez la funcion cargar int Salir = 0; void setup() { // para transmision Wire.begin(18);

// Address 0xf5

Wire.onRequest(requestEvent); // Activamos evento de peticion Wire.onReceive(receiveEvent);//Activamos evento de lectura. // declaracion de puertos

118

pinMode(2,INPUT); // detector de cruce por cero pinMode(4,OUTPUT); // salida calentador pinMode(3,OUTPUT); // salida a electrovalvula pinMode(9,OUTPUT); // ventilador circulacion pinMode(10,OUTPUT); // ventilador extracion de calor pinMode(11,OUTPUT); // led derecho(mirandola por la parte del frente) pinMode(12,OUTPUT); // led central pinMode(13,OUTPUT); // led izquierdo pinMode(8,OUTPUT); // ACCIONADOR DE PROTECCION DEL SISTEMA // funcion de interrupcion de cruce por cero attachInterrupt(0,zero_crosss_int,RISING); } void zero_crosss_int() { if (valor_pid<7865){ delayMicroseconds(valor_pid); digitalWrite(4,HIGH); delayMicroseconds(8.33); digitalWrite(4,LOW); //encendido del ventilador de circulacion } else{ // apagado total resistencia y encendido ventiladores digitalWrite(4,LOW); } } double lectura(int x) // funcion lectura puertos analogos { double y; y = analogRead(x); y = (y*5)/1023; // convierte a un numero de 0 - 5 return y; } void Guardar(){ // para guardar valores en la eeprom

119

int Valores[5]={referencia_temp,ref_humedad,tiempo_foto[0],tiempo_foto[1],tiempo_foto[2]}; for(int i=0;i<5;i++){ EEPROM.write(i,Valores[i]); } } void Cargar(){ int Valores[5]={referencia_temp,ref_humedad,tiempo_foto[0],tiempo_foto[1],tiempo_foto[2]}; int R = EEPROM.read(0); if(R>=0&&R<=50){ for(int i=0;i<5;i++){ Valores[i]=EEPROM.read(i); } }else{} Salir = 1; } void pid(double referencia, double lectura) { double ki,e,a1,b,Up,Ui,Ut,ref,eant,Uiant; double calculo; ki = 0.7; //kp = 1.287886; a1 = kp; b = (kp*0.1)/ki; eant = 0; Uiant = 0; ref = referencia; e = ref-lectura; ventiladores(e); Up = (kp*e); Ui = (b*e)+Uiant; Ut = Up; // para limitar la intencidad de la resistencia

120

if (Ut<1){ Ut = 0; } if(Ut>50){ Ut = 50; } eant = e; Uiant = Ui; calculo = Ut; calculo = calculo * 65; calculo = abs(calculo - 7865); valor_pid = calculo; } // funcion de fotoperiodos void fotoperiodo(){ noInterrupts(); tiempo_actual=millis(); // para convertir a segundos dividir por 1000 // para convertir a minutos divido por 60000 // para convertir a horas dividir por 3600000 tiempo_actual=tiempo_actual/60000; int leds=11; // pin de inicio de los fotoperiodos for(int i=0;i<3;i++) { if(tiempo_foto[i]==0) { digitalWrite(leds,LOW); }else{} if(tiempo_foto[i]>=25){ digitalWrite(leds,HIGH); }else{} if(tiempo_foto[i]>0 && tiempo_foto[i]<24){ if((abs(tiempo_actual-tiempo_ant[i]))>=tiempo_foto[i]){

121

tiempo_ant[i] = tiempo_actual; if(Provisional[i]==1){ digitalWrite(leds,HIGH); Provisional[i]=0; } else{ digitalWrite(leds,LOW); Provisional[i]=1; } }else{} }else{} leds = leds+1; } // fin del for } // funcion para control de velocidad ventiladores void ventiladores(double error){ if(error<(-0.1)){ digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,HIGH); // extracion }else{} if(error>0){ digitalWrite(9,HIGH); // circulacion digitalWrite(10,LOW); }else{} if(error>(-0.1)&&error<=0){ digitalWrite(9,LOW); // circulacion digitalWrite(10,LOW); }else{} } //funcion que envia datos al maestro void requestEvent() { int temperatura = temp_actual;

122

int Falla=Revisar; int datos[12]={temperatura,referencia_temp,humedad,ref_humedad,tiempo_foto[0],tiempo_fot o[1],tiempo_foto[2],Falla,kp,Provisional[0],Provisional[1],Provisional[2]}; Wire.write(datos[indicador]); indicador = indicador + 1; if(indicador>11) { indicador = 0; } } //funcion que recibe datos void receiveEvent(int howMany) { while( Wire.available()) //Leemos hasta que no haya datos. { referencia_temp = Wire.read(); ref_humedad = Wire.read(); tiempo_foto[0] = Wire.read(); tiempo_foto[1] = Wire.read(); tiempo_foto[2] = Wire.read(); kp = Wire.read(); Guardar(); } } void Control_humedad(){ humedad = analogRead(1); humedad = humedad/9; if(humedad<ref_humedad){ digitalWrite(3,HIGH); } else{ digitalWrite(3,LOW);

123

} } void LimiteTemperatura(){ if(referencia_temp>37){ referencia_temp == 35; // por seguridad }else{} } // INICION SISTEMA DE PROTECCION void Proteccion(double x) { if (x >= 38 && Sobrepaso == 0){ digitalWrite(8,HIGH); // DESACTIVA EL RELE PARA SUSPENDER EL PASO DE LA CORRIENTE Sobrepaso = 1; Contador = Contador + 1; }else{} if (x < 38 && Sobrepaso == 0 && Contador < 4){ digitalWrite(8,LOW); // ACTIVA EL RELE, NO HAY SOBREPASO DE TEMPERATURA }else{} if (x < 28 && Sobrepaso == 1){ Sobrepaso = 0; }else{} if(x < 10 || x > 38){ // CONDICION ASEGURAR CAJA EN CASO DE DAﾃ前 DEL SENSOR digitalWrite(8,HIGH); Sobrepaso = 2; Revisar = 1; }else{} if (Contador > 3){ // CONDICION DAﾃ前 TECNICO GRAVE Revisar = 2; }else{} if(Revisar != 0){ // VERIFICAR LA TEMPERATURA SIN NADA PRENDIDO digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(11,LOW);

124

digitalWrite(12,LOW); digitalWrite(13,LOW); digitalWrite(4,LOW); delay(10); int Asegurar = lectura(0); Asegurar = (Asegurar*100)-2; if (Asegurar > 38 || Asegurar < 10){ // no aga nada }else{ Revisar = 0; Contador = 0; Sobrepaso = 0; } }else{} } // FIN SISTEMA DE PROTECCION void loop() { if (Salir==0) { Cargar(); }else{} double temporal; fotoperiodo(); // funcion para calcular tiempo de leds Control_humedad(); if(contador==time) { noInterrupts(); temporal=lectura(0); temporal = (temporal*100)-2; Proteccion(temporal); temp_actual = temporal; LimiteTemperatura(); pid(referencia_temp,temp_actual);

125

} else { interrupts(); } contador = contador + 1; if(contador>time) { contador = 0; }else{} }z

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ANEXO F PROGRAMA DE INTERFAZ GRAFICA function varargout = interfaz(varargin) % INTERFAZ MATLAB code for interfaz.fig % INTERFAZ, by itself, creates a new INTERFAZ or raises the existing % singleton*. % % H = INTERFAZ returns the handle to a new INTERFAZ or the handle to % the existing singleton*. % % INTERFAZ(tipos d'CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in INTERFAZ.M with the given input arguments. % % INTERFAZ('Property','Value',...) creates a new INTERFAZ or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before interfaz_OpeningFcn gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to interfaz_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help interfaz % Last Modified by GUIDE v2.5 15-Oct-2015 18:53:29 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @interfaz_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @interfaz_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

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end % End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before interfaz is made visible. function interfaz_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to interfaz (see VARARGIN) % Choose default command line output for interfaz handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes interfaz wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1);

% --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = interfaz_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % Establecer conexion con arduino warndlg('Espere mientras el sistema se conecta'); handles.a = arduino('com11','uno'); handles.condicion = 0; arreglo=scanI2CBus (handles.a); % escanea los dispositivos i2c verificar = length(arreglo); % muestra cuantos dispositivos hay if verificar>0 msgbox('Conexion exitosa, Bienvenido a la interfaz grafica',' Conexion establecida '); else errordlg('Verifique conexion y vuelva a intentarlo',' Error en conexion '); end guidata(hObject, handles); % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output;

% --- Executes on selection change in Menu. function Menu_Callback(hObject, eventdata, handles) a = handles.a; z = 0; Valor = get(handles.Menu,'Value'); % obtiene valor de el menu desplegable

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set(handles.Numero,'String',Valor); % establece el valor a un static Valor = Valor + 14; % para saber en que direcion esta dev = i2cdev (a,Valor); % establece conexion con el dispositivo if handles.condicion == 0 % modo lectura while z==0 % temperatura,referencia_temp,humedad,ref_humedad,tiempo_foto[0],tiempo_fot o[1],tiempo_foto[2],time,kp,Provisional[0],Provisional[1],Provisional[2] for m = 1:12 salida(m)= read(dev,1,'uint8') % leer del arduino end % muestra las variables en sus respectivas casillas set(handles.Temperatura,'String',salida(1)); set(handles.Ref_temperatura,'String',salida(2)); set(handles.Humedad,'String',salida(3)); set(handles.Ref_humedad,'String',salida(4)); set(handles.Foto_1,'String',salida(5)); set(handles.Foto_2,'String',salida(6)); set(handles.Foto_3,'String',salida(7)); switch salida(8) case 0 set(handles.Piloto,'BackgroundColor','green'); % Sin da単os en el sistema case 1 set(handles.Piloto,'BackgroundColor','red'); % Da単o grave en el sistema aa errordlg('Se encuentra un problema con el sensor de temperatura, por favor desconecte la camara de ambiente y comuniquese con el tecnico',' Error lectura '); case 2 set(handles.Piloto,'BackgroundColor','yellow'); % Posible da単o en el sensor de temperatura errordlg('Error grave encontrado por favor desconecte la camara de ambiente y comuniquese con el tecnico',' Error Grave '); otherwise errordlg('Error desconoxido, comuniquese con el tecnico a cargo',' Error en desconocido '); end set(handles.Mostrar_kp,'String',salida(9)); if salida(10)==0 % la tira de led esta prendida set(handles.Prendido_1,'BackgroundColor','green'); else set(handles.Prendido_1,'BackgroundColor','red'); end if salida(11)==0 % la tira de led esta prendida set(handles.Prendido_2,'BackgroundColor','green'); else set(handles.Prendido_2,'BackgroundColor','red'); end if salida(12)==0 % la tira de led esta prendida set(handles.Prendido_3,'BackgroundColor','green'); else set(handles.Prendido_3,'BackgroundColor','red'); end

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if (get(handles.Tiempo_real,'Value'))==1 z=0; % esta funcionando en tiempo real else z=1; % esta en modo normal end % mira si esta activada la opcion 'Tiempo real' % FALTA PONER CONDICION PARA QUE SALGA DEL TIEMPO REAL end else % modo escritura % Toma las variables introducidas por el usuario y las establece Establecer{1}=get(handles.Ref_temperatura,'String'); Establecer{2}=get(handles.Ref_humedad,'String'); Establecer{3}=get(handles.Foto_1,'String'); Establecer{4}=get(handles.Foto_2,'String'); Establecer{5}=get(handles.Foto_3,'String'); Establecer{6}=get(handles.Mostrar_kp,'String'); for i = 1:6 Establecer{i} = str2num(Establecer{i}); end % escribe en el dispositivo if Establecer{1}>=36 warndlg('Temperatura establecida supera limite de temperatura se establecera la maxima pro sistema 35째C'); Establecer{1}=35; end write(dev,[Establecer{1},Establecer{2},Establecer{3},Establecer{4},Establ ecer{5},Establecer{6}]); end guidata(hObject,handles); % hObject handle to Menu (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: contents = cellstr(get(hObject,'String')) returns Menu contents as cell array % contents{get(hObject,'Value')} returns selected item from Menu

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function Menu_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Menu (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: popupmenu controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

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% --- Executes on button press in Boton. function Boton_Callback(hObject, eventdata, handles) condicion = get(handles.Boton,'Value'); if condicion == 0 % modo lectura msgbox('Usted a salido del modo escritura','Ayuda'); set(handles.Piloto,'Visible','on'); % aparece el Piloto indicador de estado set(handles.Tiempo_real,'Visible','on'); % aparce el boton de tiempo real set(handles.Boton,'String','Modo Escritura'); % cambia string del boton set(handles.Estado,'String','Modo lectura');% cambia sting del static set(handles.Actual,'String','Actual');% cambia string de static % establece las casillas como salidas o texto estatico set(handles.Ref_temperatura,'Style','text'); set(handles.Ref_humedad,'Style','text'); set(handles.Foto_1,'Style','text'); set(handles.Foto_2,'Style','text'); set(handles.Foto_3,'Style','text'); set(handles.Piloto,'BackgroundColor','green') % las muestra en blanco set(handles.Ref_temperatura,'BackgroundColor','w'); set(handles.Ref_humedad,'BackgroundColor','w'); set(handles.Foto_1,'BackgroundColor','w'); set(handles.Foto_2,'BackgroundColor','w'); set(handles.Foto_3,'BackgroundColor','w'); set(handles.Mostrar_kp,'BackgroundColor','w'); else % modo escritura msgbox('Para modificar las variables, introduzca numeros en los campos rojos pertinentes','Ayuda'); set(handles.Piloto,'Visible','off'); % desaparece Piloto indicador de estado set(handles.Tiempo_real,'Visible','off'); % desaparece boton tiempo real set(handles.Boton,'String','Modo Lectura');% cambia string de boton set(handles.Estado,'String','Modo Escritura');% cambia string a static set(handles.Ref,'String','Modificar');% cambia string a static % Se resaltan las casillas de rojo set(handles.Ref_temperatura,'BackgroundColor','r'); set(handles.Ref_humedad,'BackgroundColor','r'); set(handles.Foto_1,'BackgroundColor','r'); set(handles.Foto_2,'BackgroundColor','r'); set(handles.Foto_3,'BackgroundColor','r'); set(handles.Mostrar_kp,'BackgroundColor','r'); % establece las casillas como entradas para el usuario set(handles.Ref_temperatura,'Style','edit'); set(handles.Ref_humedad,'Style','edit'); set(handles.Foto_1,'Style','edit'); set(handles.Foto_2,'Style','edit'); set(handles.Foto_3,'Style','edit'); set(handles.Mostrar_kp,'Style','edit'); end

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handles.condicion = condicion; guidata(hObject,handles); % hObject handle to Boton (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% --- Executes on button press in Tiempo_real. function Tiempo_real_Callback(hObject, eventdata, handles) if get(handles.Tiempo_real,'Value')==1 msgbox('Por favor seleccione la caja a monitorear','Ayuda'); set(handles.Boton,'Visible','off'); else msgbox('Usted a salido del modo tiempo real','Ayuda'); set(handles.Boton,'Visible','on'); end % hObject handle to Tiempo_real (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of Tiempo_real

% --- Executes on button press in Salir. function Salir_Callback(hObject, eventdata, handles) opc=questdlg('多Desea salir del programa?','SALIR','Si','No','No'); if strcmp(opc,'No') return; end helpdlg('Gracias por utilizar nuestro sistema','Creditos'); pause(2); clear close all clc % hObject handle to Salir (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of Salir % -------------------------------------------------------------------% --- Executes during object creation, after setting all properties. % Hint: place code in OpeningFcn to populate logo % --- Executes during object creation, after setting all properties. function Logo_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Logo (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB t=imread('logoCampus.png'); image(t); axis off % Hint: place code in OpeningFcn to populate Logo

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