Tesis / 0036 / I.M

HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN PARA EL SEGUIMIENTO Y MONITOREO AMBIENTAL DE CULTIVOS DE QUINUA

JUAN FELIPE MONSALVE VARGAS KEVIN ALDRWIN ORDOÑEZ MATEUS

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA BOGOTÁ D.C. 2015

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HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN PARA EL SEGUIMIENTO Y MONITOREO AMBIENTAL DE CULTIVOS DE QUINUA

JUAN FELIPE MONSALVE VARGAS KEVIN ALDRWIN ORDOÑEZ MATEUS

Trabajo De Grado

DIRECTOR: FEDERICO SANABRIA INGENIERO MECATRÓNICO

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2015 2

´ Nota de aceptación ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________

_______________________________ Firma del director

_______________________________ Firma del jurado

_______________________________ Firma del jurado

Bogotá D.C. 25 de Junio de 2015 3

DEDICATORIA

Quiero dedicar este proyecto y proceso de vida primero a Dios, que me ha dado la vida y me ha permitido llegar a este momento tan especial de mi existencia, por los triunfos y momentos difíciles que me han enseñado a valorarlo cada día más, gracias a la guía y fuerza otorgada para terminar cada objetivo y meta propuesta, pero especialmente por este proyecto de investigación. Segundo a mis Padres por estar ahí cuando más los he necesitado, por su dedicación, esfuerzo y trabajo que me han llevado a ser quien soy en este momento. A mi familia por la ayuda y apoyo incondicional que me han brindado durante este proceso de vida. Finalmente a mi amigo Juan Felipe por creer en este sueño y ser parte fundamental de él.

Kevin Aldrwin Ordoñez Mateus

Este proyecto quiero dedicarlo a mis padres las personas que más quiero, respeto y admiro, por su continuo apoyo y por dar su vida día a día para educarme con su infinito amor y comprensión. A mi amigo Kevin por su compresión, por ser parte de este proceso y sacar adelante este proyecto. Y finalmente a mis compañeros de universidad por el apoyo y confianza que me brindaron durante estos cinco años.

Juan Felipe Monsalve Vargas

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AGRADECIMIENTOS

Primero debemos agradecer a Dios padre como nuestro creador y guía espiritual, por darnos la vida, la inteligencia y conocimiento esencial en el proceso y culminación del proyecto.

A nuestras familias por sus oraciones, paciencia, apoyo económico y sobre todo por su apoyo moral y espiritual.

Al Ingeniero Federico Sanabria director de este trabajo, docente y amigo, por ser parte primordial de este proyecto, gracias a su colaboración en el área técnica.

A nuestros amigos, compañeros de estudio y trabajo, por su colaboración, apoyo y ayuda incondicional en la elaboración y construcción del proyecto.

A los profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo así mismo por la sabiduría que nos transmitieron en el desarrollo de nuestra vida profesional.

5

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 22 1. CAPÍTULO: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ........................................ 23 1.1.

PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ........................ 23

1.2.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 23

1.2.1.

OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 23

1.2.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 23

1.3.

JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO .............................................................. 24

1.4.

ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................... 26

1.5.

BENEFICIARIO ........................................................................................ 26

2. CAPÍTULO: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA .................................................. 27 2.1.

ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ............................................................ 27

2.2.

BASES TEÓRICAS .................................................................................. 30

2.2.1.

CULTIVO DE QUINUA ....................................................................... 30

2.2.1.1.

Beneficios nutricionales ............................................................... 31

2.2.1.2.

Descripción Botánica De La Planta ............................................. 33

2.2.1.3.

Variedades De Quinua ................................................................ 35

2.2.2.

MONITOREO AMBIENTAL ................................................................ 37

2.2.2.1.

2.2.3.

Determinación de programas de monitoreo ................................. 38

ESTACIONES METEOROLÓGICAS ................................................. 38

2.2.3.1.

Características Generales de las Estaciones Meteorológicas ..... 38

6

2.2.3.2.

2.2.4.

Estación Meteorológica Automática (E.M.A)................................ 41

VARIABLES CLIMÁTICAS DE MEDICIÓN ........................................ 42

2.2.4.1.

Presión Atmosférica..................................................................... 42

2.2.4.2.

Humedad Relativa ....................................................................... 43

2.2.4.3.

Temperatura Del Aire En Superficie ........................................... 43

2.2.4.4.

Anemometría ............................................................................... 43

2.2.4.5.

Precipitación ................................................................................ 43

2.2.5.

MECANISMO DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTOS LINEALES ... 43

2.2.5.1.

Locomoción ................................................................................. 44

2.2.5.2.

Ruedas ........................................................................................ 44

2.2.5.3.

Mecanismo tornillo-tuerca ............................................................ 45

2.2.5.4.

Mecanismo piñón-cremallera ....................................................... 46

2.2.5.5.

Mecanismo biela-manivela: ......................................................... 46

2.2.5.6.

Sistema de levas ......................................................................... 47

2.2.5.7.

Mecanismo trinquete ................................................................... 47

2.2.6.

PROCESAMIENTO DE IMÁGENES .................................................. 48

2.2.6.1.

Tipos de imágenes ...................................................................... 48

2.2.6.2.

Imágenes digitales y su procesamiento ....................................... 49

3. CAPÍTULO: SISTEMA DE VARIABLES .......................................................... 50 3.1.

DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE LA VARIABLES A MEDIR.................... 50

3.2.

DEFINICIÓN OPERACIONAL DE LA VARIABLE .................................... 51

4. CAPÍTULO: METODOLOGÍA .......................................................................... 53 4.1.

TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ........................................................ 53 7

4.2.

POBLACIÓN Y MUESTRA ....................................................................... 53

4.2.1.

POBLACIÓN ...................................................................................... 53

4.2.2.

MUESTRA .......................................................................................... 53

4.3.

TÉCNICAS DE LA RECOLECCIÓN DE DATOS ...................................... 54

4.4.

DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 54

4.5.

ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DEL TRABAJO ........................ 54

5. CAPÍTULO: IMPLEMENTACIÓN Y DESARROLLO DE LA HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN PARA EL SEGUIMIENTO Y MONITOREO AMBIENTAL DE CULTIVOS DE QUINUA .................................................................................. 59 5.1.

CULTIVO DE QUINUA ............................................................................. 61

5.1.1.

DESCRIPCIÓN BOTÁNICA DE LA PLANTA ..................................... 61

5.1.2.

MANEJO DEL CULTIVO DE QUINUA ............................................... 63

5.1.2.1.

Preparación Del Terreno ............................................................. 63

5.1.2.2.

Siembra ....................................................................................... 63

5.1.2.3.

Abonamiento Orgánico/Ecológico................................................ 64

5.1.2.4.

Labores De Cultivo ...................................................................... 64

5.1.2.5.

Riego ........................................................................................... 64

5.1.2.6.

Control de Maleza, plagas y enfermedades ................................ 65

5.1.2.7.

Cosecha ...................................................................................... 65

5.1.2.8.

Post Cosecha .............................................................................. 66

5.1.3.

FENOLOGÍA DEL CULTIVO .............................................................. 66

5.1.3.1.

5.1.4.

Fases Fenológicas Del Cultivo ................................................... 66

FACTORES BIÓTICOS Y ABIÓTICOS QUE ATACAN LA QUINUA 69 8

5.1.4.1.

Mildiu ........................................................................................... 72

5.1.4.2.

Ticuchi ......................................................................................... 73

5.1.4.3.

K´Cona K´Cona (Polilla) .............................................................. 75

5.1.4.4.

Aves ............................................................................................. 76

5.1.4.5.

Heladas ....................................................................................... 76

5.1.4.6.

Granizada .................................................................................... 77

5.1.4.7.

Sequia ......................................................................................... 77

5.1.5.

5.2.

PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL ...................................................... 80

5.2.1.

5.3.

REQUERIMIENTOS AMBIENTALES DEL CULTIVO ........................ 78

OBJETIVOS EL PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL ..................... 80

ESTACIÓN DE MONITOREO AMBIENTAL ............................................. 81

5.3.1.

DISPOSITIVOS METEOROLÓGICOS............................................... 81

5.3.2.

EMPLAZAMIENTO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA ............. 83

5.3.3.

SISTEMA MECÁNICO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA ........ 85

5.3.3.1.

Soporte de la Estación Meteorológica ......................................... 85

5.3.3.2.

Anemómetro ................................................................................ 87

5.3.3.3.

Veleta .......................................................................................... 87

5.3.3.4.

Pluviómetro .................................................................................. 88

5.3.3.5.

Garita Meteorológica Artesanal ................................................... 88

5.3.3.6.

Gabinete para PC ........................................................................ 90

5.3.4.

INSTALACIÓN DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA .................... 91

5.3.5.

SISTEMA ELECTRÓNICO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA.. 93

5.3.5.1.

Arduino UNO ............................................................................... 94 9

5.3.5.2.

Shield Clima................................................................................. 95

5.3.5.3.

Sensor de temperatura y humedad HTU21D............................... 97

5.3.5.4.

Sensor de presión barométrica MPL3115A2 ............................... 98

5.3.5.5.

Reed Switch en el anemómetro, veleta y pluviómetro ................ 98

5.3.6.

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE LA ESTACIÓN

METEOROLÓGICA ....................................................................................... 102

5.4.

5.3.6.1.

Algoritmo en ARDUINO de la estación meteorológica ............... 105

5.3.6.2.

Algoritmo en MATLAB de la estación meteorológica ................. 107

5.3.6.3.

Interfaz (GUI) de la estación meteorológica .............................. 108

MECANISMO MÓVIL (HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN) ....... 112

5.4.1.

ESTRUCTURA PARA EL DESPLAZAMIENTO ............................... 112

5.4.2.

SISTEMA MECÁNICO DEL MECANISMO ...................................... 115

5.4.2.1.

Diseño de la locomoción ............................................................ 115

5.4.2.2.

Selección del motor ................................................................... 119

5.4.2.3.

Selección de la cámara ............................................................. 121

5.4.3.

SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DE LA CÁMARA ......................... 122

5.4.4.

SISTEMA ELECTRÓNICO ............................................................... 123

5.4.5.

PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MECANISMO ........ 124

5.5.

PROCESAMIENTO DE IMÁGENES....................................................... 125

5.5.1.

ETAPAS DE PROCESAMIENTO DE IMÁGENES ........................... 125

5.5.1.1.

Adquisición de las imágenes (captura) ...................................... 125

5.5.1.2.

Pre-procesamiento de la imagen ............................................... 126

5.5.1.3.

Segmentación ............................................................................ 127 10

5.5.1.4.

5.5.2.

Binarizacion (Extracción de características) .............................. 127

PROCESAMIENTO DE IMÁGENES APLICADO EN EL CULTIVO DE

QUINUA MEDIANTE MATLAB ..................................................................... 128 5.5.2.1.

Aplicación No. 1 ......................................................................... 129

5.5.2.2.

Aplicación No.2 .......................................................................... 138

5.5.2.3.

Aplicación No.3 .......................................................................... 140

6. CAPÍTULO: ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................... 143 6.1.

ETAPA PRÁCTICA ................................................................................. 143

6.1.1.

ESTACIÓN DE METEOROLOGÍA ................................................... 143

6.1.2.

INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO GUI ........................................ 145

6.1.3.

MECANISMO MÓVIL ....................................................................... 147

6.1.4.

PROCESAMIENTO DE IMÁGENES ................................................ 148

6.2.

ETAPA ANALÍTICA ................................................................................ 149

6.2.1.

ESTACIÓN DE METEOROLOGÍA ................................................... 149

6.2.2.

MECANISMO MÓVIL ....................................................................... 152

6.2.3.

APLICACIÓN DE ANÁLISIS DE MEDICIONES Y DESARROLLO DE

LA PLANTA DE QUINUA .............................................................................. 153 7. CAPÍTULO: CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ......................................... 162 8. CAPÍTULO: PRESUPUESTO ....................................................................... 165 9. CAPITULO: COSTOS DEL PROYECTO ...................................................... 166 10.

CONCLUSIONES ...................................................................................... 167

11.

RECOMENDACIONES .............................................................................. 168

12.

REFERENCIAS.......................................................................................... 169 11

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.Tabla nutricional del alimento por 100g .................................................... 32 Tabla 2. Variedades de Quinua. ............................................................................ 35 Tabla 3. Clasificaciรณn estaciones meteorolรณgicas.................................................. 39 Tabla 4. Las plagas de mayor importancia que atacan cultivos de Quinua. .......... 70 Tabla 5. Tabla de registro de mediciones de la estaciรณn. .................................... 110 Tabla 6.Primera tabla de registro de mediciones. ................................................ 111 Tabla 7. Indicador de masa total mecanismo....................................................... 117 Tabla 8. Datos de placa motor. ............................................................................ 120 Tabla 9. Registro de mediciones diarias de la Estaciรณn. ...................................... 146 Tabla 10. Cuadro comparativo del proceso de crecimiento de la planta de Quinua. ............................................................................................................................. 154 Tabla 11. Tabla de resultados del proceso de crecimiento de la planta de Quinua. ............................................................................................................................. 155 Tabla 12. Seguimiento de altura y variables climatolรณgicas. ................................ 156 Tabla 13. Cronograma de actividades. ................................................................ 162 Tabla 14. Cronograma de actividades Diagrama Gannt. ..................................... 164 Tabla 15. Presupuesto para el proyecto. ............................................................. 165 Tabla 16. Costos del proyecto. ............................................................................ 166

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Cultivo de Quinua ................................................................................... 30 Figura 2. Descripción botánica de la planta. .......................................................... 33 Figura 3. Variedades de Quinua. ........................................................................... 36 Figura 4. Estación meteorológica Tipo Andamio.................................................... 40 Figura 5. Estación Meteorológica Estructura Tipo Torre Triangular. ...................... 41 Figura 6. Diagrama de bloques estación meteorológica automática...................... 42 Figura 7. Diagrama de bloques de un mecanismo................................................. 44 Figura 8. Ilustración mecanismo tuerca-tornillo...................................................... 45 Figura 9. Ilustración mecanismo piñón-cremallera................................................. 46 Figura 10. Ilustración mecanismo biela-manivela. ................................................. 46 Figura 11. Sistema de leva. ................................................................................... 47 Figura 12. Mecanismo trinquete............................................................................. 47 Figura 13. Etapas de procesamiento digital de imágenes. .................................... 49 Figura 14. Diagrama de las fases a seguir en el proyecto. .................................... 55 Figura 15. Partes de la herramienta de caracterización......................................... 60 Figura 16. Descripción botánica de la Quinua. ...................................................... 62 Figura 17. Fases fenológicas de la Quinua. ........................................................... 67 Figura 18. Síntomas de mildiu. .............................................................................. 72 Figura 19. Escala de evaluación para mildiu, porcentaje de área afectada. .......... 73 Figura 20. Larva (gusano) que infecta el cultivo. ................................................... 74

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Figura 21. Plántula de Quinua con lesiones (A) en las hojas causadas por larvas de mariposas nocturnas ......................................................................................... 74 Figura 22. Polilla K’Cona K’Cona ........................................................................... 75 Figura 23. Invasión de aves en el cultivo. .............................................................. 76 Figura 24. Impacto de las heladas y granizadas en los cultivos de Quinua. .......... 77 Figura 25. Sequía en Cultivos de Quinua. ............................................................. 78 Figura 26. Diagrama funcional de la estación meteorológica ................................ 82 Figura 27. Lugar del Cultivo de Quinua en Zipaquirá. ............................................ 84 Figura 28. Base de la estructura de la estación meteorológica.............................. 85 Figura 29. Sistema para graduar altura en la estación. ........................................ 85 Figura 30. Prototipo Estación Meteorológica Construida. ...................................... 86 Figura 31. Anemómetro empleado en la Estación. ................................................ 87 Figura 32. Veleta empleada en la Estación. .......................................................... 87 Figura 33.Pluviómetro sistema de balancín empleado en la Estación. .................. 88 Figura 34. Construcción de la Garita meteorológica Artesanal. ............................. 89 Figura 35. Garita meteorológica Artesanal. ........................................................... 89 Figura 36. Gabinete para PC para entorno industrial. ............................................ 90 Figura 37. Guía de montaje de anemómetro y veleta en la Estación..................... 91 Figura 38. Guía de instalación del pluviómetro y garita para Shield Clima y ARDUINO. ............................................................................................................. 92 Figura 39. Estación meteorológica físicamente ensamblada ................................. 93 Figura 40. Placa ARDUINO UNO. ......................................................................... 95 Figura 41. Weather Shield Sparkfun. ..................................................................... 96 14

Figura 42. Sensor de temperatura y humedad HTU21D. ....................................... 97 Figura 43. Sensor de presión barométrica MPL3115A2. ....................................... 98 Figura 44. Reed Switch. ......................................................................................... 98 Figura 45. Funcionamiento Reed Switch. .............................................................. 99 Figura 46. Esquemático electrónico Shield Clima y ARDUINO............................ 100 Figura 47. Conexión física entre veleta, anemómetro, pluviómetro y shield Clima. ............................................................................................................................. 101 Figura 48. Computador portátil HP modelo HP 1000-1324LA. ............................ 102 Figura 49.Etapas de adquisición de datos. .......................................................... 103 Figura 50. Interpretación de rosa de los vientos. ................................................. 104 Figura 51. Descomposición funcional del sistema de adquisición de datos. ........ 105 Figura 52. Interfaz de usuario GUI diseñada en MATLAB. .................................. 108 Figura 53. Versiones de prueba de interfaz de usuario GUI. ............................... 109 Figura 54. Primer prototipo estructural para el mecanismo móvil. ....................... 112 Figura 55. Estructura para el desplazamiento del mecanismo............................. 113 Figura 56. A) Soportes en tubería cuadrada, B) Guayas tensoras, C) Mecanismo móvil sobre guayas, D) Estructura completa con sus guayas de guía. ............... 114 Figura 57. Modelo del chasís. .............................................................................. 116 Figura 58. Ruedas del sistema de tracción. ......................................................... 116 Figura 59. Mecanismo móvil. ............................................................................... 117 Figura 60. Motorreductor 12Vdc, 5A. ................................................................... 119 Figura 61. Cámara Sony 14.1 MP....................................................................... 121 Figura 62. Movimiento de una leva. ..................................................................... 122 15

Figura 63. Partes de la leva. ................................................................................ 122 Figura 64. Ficha técnica PLC Siemens Logo 12/24 RC. ...................................... 123 Figura 65. Tablero eléctrico de la herramienta móvil para la toma de fotografías. ............................................................................................................................. 124 Figura 66. Etapas de procesamiento digital de imágenes. .................................. 126 Figura 67. Procesamiento de imágenes. ............................................................. 128 Figura 68. Toma de fotografía de la planta de Quinua. ........................................ 129 Figura 69. Aplicación de filtro basa bajo en la imagen. ........................................ 130 Figura 70. Imagen sin colores verdes. ................................................................. 131 Figura 71. Imagen binarizada de la planta. .......................................................... 132 Figura 72. Aplicación de operaciones morfológicas. ............................................ 133 Figura 73. Características del área y perímetro de la planta ............................... 134 Figura 74. Marcar áreas que no son de interés. .................................................. 135 Figura 75. Eliminar áreas que no son de interés.................................................. 136 Figura 76. Propiedades de la imagen. ................................................................. 137 Figura 77. Imagen original del cultivo de Quinua. ................................................ 139 Figura 78. Selección del pixel. Fuente: (Los Autores).......................................... 139 Figura 79. Segmentación por color de la panoja.................................................. 140 Figura 80. Proceso de la aplicación No 2 de procesamiento de imágenes .......... 140 Figura 81. Imagen del cultivo a realizar procesamiento. ...................................... 141 Figura 82. Tonalidades que se desea segmentar. ............................................... 141 Figura 83. Segmentación de imagen del cultivo. ................................................. 142 Figura 84. Estación Meteorológica....................................................................... 143 16

Figura 85.Prototipo de Estación Meteorológica. .................................................. 144 Figura 86.Interfaz de usuario de la herramienta de caracterización. ................... 145 Figura 87. Estructura para el desplazamiento del mecanismo............................. 147 Figura 88. Mecanismo móvil. ............................................................................... 147 Figura 89. Proceso de procesamiento de imágenes en la Quinua....................... 148 Figura 90. Ubicación dentro del cultivo de la Estación Meteorológica. ................ 149 Figura 91. Sección o área de muestra para el análisis. ....................................... 152 Figura 92. Graficas de las variables medición de la estación meteorológica. ...... 157 Figura 93. Tabla de registro del ataque de factores bióticos o abióticos. ............ 158 Figura 94. Registro del crecimiento de la plantación de Quinua en Zipaquirá(19/04/2015).......................................................................................... 159 Figura 95. Ruta crítica de actividades Diagrama Pert. ......................................... 163

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LISTA DE ANEXOS

Anexos a. Esquemático arduino .......................................................................... 172 anexos b. Datasheet sensor de humedad / temperatura - htu21d ....................... 173 anexos c. Datasheet sensor de presión barométrica - mpl3115a2 ...................... 174 anexos d. Algoritmo de adquisición de datos de estación meteorológica en arduino ............................................................................................................................. 175 anexos e. Algoritmo de visualización de interfaz grafica de la estación meteorológica en matlab ...................................................................................... 179

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GLOSARIO

MATLAB: Software matemático diseñado como herramienta de apoyo para teoría de matrices, álgebra lineal y análisis numérico, sin embargo, actualmente es un programa matemático de un lenguaje de programación de alto nivel y entorno atractivo, que incluye herramientas para cálculos numéricos, desarrollo de algoritmos, modelado, simulación y prueba de prototipos, análisis de datos y visualización con fines científicos, ingenieriles y desarrollo de aplicaciones que requieran de una interfaz gráfica de usuario (GUI, GraphicalUser Interface), ampliando igualmente sus capacidades gracias a los toolbox que ofrece.

ARDUINO: Es una plataforma open-source basada en una sencilla placa I/O y un entorno de desarrollo de lenguaje Processing/Wiring. Las placas Arduino son pequeños ordenadores con los que se puede leer información de diferentes sensores, así como controlar actuadores y muchas otras operaciones más, sin embargo, esto es posible mediante su programa externo, para la escritura de algoritmos de desarrollo software Arduino IDE “Integrated Development Environment” (Entorno de Desarrollo Integrado).

Sensor: Dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud física del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que sea capaz de cuantificar y manipular.

Fenología: Es la ciencia que basa su estudio sobre los efectos del clima en los fenómenos biológicos periódicamente a través de la observación sistemática y el registro de dichos fenómenos.

Cotiledón: Forma con que aparece la primera hoja en el embrión de las plantas, ya sea sola o junto a otra u otras. Sirven para reservar y absorber nutrientes ubicados en la semilla hasta que la plántula puede producir sus hojas verdaderas y realizar la fotosíntesis.

Panoja: Conjunto de espigas o racimos que nacen de un mismo tallo y que se ramifican a su vez en nuevos.

Termómetro: Instrumento de medición de la temperatura.

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Barómetro: Instrumento de medida de presión atmosférica en la superficie.

Pluviómetro: Instrumento capaz de medir la cantidad de lluvia que cae en determinada área.

Anemómetro: Instrumento de medición de la velocidad del viento.

Veleta: Dispositivo giratorio, con la función de señalar la dirección del viento.

Cazoleta: Pieza de forma semiesférica.

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RESUMEN

Este trabajo pretende realizar un estudio de las características y propiedades de la Quinua o Quinua, centrados en la fenología de dicha planta, en otras palabras, la relación entre los factores climáticos y los ciclos de la planta. Por tal motivo en este documento se registra la identificación y el análisis de las variables de medición, la instrumentación, los sensores y métodos utilizados, siempre manteniendo un enfoque e innovador en aspectos de acondicionamiento de señal, procesamiento y análisis de datos.

De acuerdo con lo anterior este proyecto tiene como fin diseñar y construir un prototipo de Estación de Monitoreo Ambiental como instrumento para el seguimiento de actividades con impacto ambiental, basándose en la medición de las siguientes variables: temperatura, humedad, precipitación, presión, altitud, velocidad y dirección del viento.

Por otra parte se diseñará y construirá un mecanismo de desplazamiento dentro del cultivo de Quinua para la toma de fotografías en su etapa de crecimiento, con el fin de elaborar una aplicación que permita analizar características tales como: apariencia, frescura, tonalidad, estado, tamaño, calidad, asepsia y presencia de plagas, mediante la implementación de nuevas tecnologías basadas en procesamiento de imágenes.

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INTRODUCCIÓN

Los diversos fenómenos y variables que tienen lugar alrededor de un cultivo inciden directamente sobre su desarrollo, crecimiento, madurez y calidad.

Acontecimientos que ocurren en todo el planeta como: el calentamiento global, la contaminación ambiental, la escasez de recursos y la creciente demanda energética, han llevado a realizar la búsqueda de nuevas alternativas sostenibles y eficientes que permitan caracterizar de forma automática un cultivo, en este caso la Quinua, el cual ha cobrado gran importancia a nivel nacional.

Surge entonces la idea de implementar un sistema que permita monitorear variables meteorológicas alrededor del cultivo de la Quinua, recorrer el área cultivada y realizar toma de fotografías para el uso de métodos y técnicas de procesamiento de imágenes como instrumento para la determinación de criterios de clasificación según el tamaño, el color, apariencia, madurez de la Quinua; todo lo anterior llevado a un formato de informe, con el fin de poner a disposición de un usuario final las facilidades y bondades que ofrece esta herramienta para la administración, gestión y caracterización del cultivo.

Este trabajo de grado, presenta proceso de diseño y construcción de una herramienta modular para la caracterización de cultivos de Quinua por medio del procesamiento de imágenes, con ayuda de una estación meteorológica, un mecanismo móvil encargado de recorrer una determinada área y una interfaz gráfica de usuario que permita visualizar variables y parámetros de lectura con el fin de lograr una mayor apreciación sobre el cultivo.

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1.

CAPÍTULO: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Con el pasar del tiempo se ha evidenciado en el manejo de cultivos, métodos y técnicas artesanales utilizadas por el personal a cargo; quienes a partir de su experiencia han logrado conocer la evolución y el comportamiento del cultivo, logrando así obtener un hábito de clasificación subjetivo en la identificación de características como: color, textura, tamaño, apariencia, madurez, entre otras. A partir de esto surge la pregunta del ¿Cómo optimizar y volver autónomo el proceso de caracterización de un cultivo saliendo de los métodos y técnicas tradicionales con ayuda de las nuevas tecnologías de procesamiento de la información?

1.2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Realizar una herramienta de caracterización para el seguimiento y monitoreo ambiental de cultivos de Quinua conformado por: una estación meteorológica con interfaz de usuario, un mecanismo móvil para el recorrido y tomas de fotografía del cultivo y finalmente algoritmos de procesamiento de imágenes para la identificación detallada de características de interés para el cultivador durante el proceso y etapas fenológicas de la planta.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Diseñar y construir una estación de monitoreo ambiental basada en el principio de estaciones meteorológicas, para el análisis y estudio fenológico de la Quinua.  Elaborar e desarrollar un algoritmo en el software MATLAB licenciado por la universidad, para la adquisición e interpretación de variables climatológicas como: temperatura, humedad, velocidad del viento y precipitación a fin de determinar su incidencia sobre el crecimiento del cultivo de la Quinua.

23

 Diseñar e implementar una interfaz gráfica de usuario mediante el toolbox GUIDE del software MATLAB para la visualización e interacción del usuario sobre el monitoreo y seguimiento del cultivo de variables climatológicas obtenidos mediante la estación meteorológica.  Generar una plantilla de reportes sobre el avance del cultivo a partir de un algoritmo diseñado en el software MATLAB para la administración y gestión del cultivo.  Diseñar y construir un mecanismo móvil similar a un polipasto, para el recorrido y movimiento de una cámara digital por el perímetro del cultivo, con el fin de realizar la toma de fotografías y adquisición de imágenes en el monitoreo y seguimiento de crecimiento del cultivo.  Implementar un algoritmo en el software MATLAB que permita, por medio de técnicas y métodos de procesamiento de imágenes, caracterizar el cultivo de Quinua mediante color, textura y tamaño, para la determinación e identificación de madurez, presencia de plagas y rendimiento del cultivo según parámetros establecidos por el usuario.

1.3. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO

Aunque Colombia ha destacado su posicionamiento económico a nivel mundial gracias al sector campesino, el comercio internacional que proviene del sector rural ha venido estableciendo exigencias cada vez mayores a los productores variando según el país de exportación, llevando al sector agroindustrial a la búsqueda de nuevas técnicas y métodos en el proceso de la cadena productiva, dando solución a falencias en métodos convencionales, engorrosos, arduos y complejos en aéreas de cultivos y cosecha.

Por tal motivo, surge la idea de implementar una nueva tecnología para el sector rural, basada en sistemas de calidad para establecer y facilitar las tareas productivas de los cultivos, mediante métodos relacionados con la rama productiva que permiten controlar, evaluar y resolver el proceso de producción, selección y los problemas inherentes, enfocados en técnicas de procesamiento de imágenes en cultivos de Quinua.

En un aspecto técnico, se aplican conocimientos de Ingeniería Mecatrónica basados en la automatización de procesos agroindustriales a partir de adquisición y procesamiento de imágenes y señales, mejorando la productividad en diferentes procesos enfocados al sector primario. Adopción de tecnologías ambientales en 24

procesos agroindustriales, buscando promover el uso eficiente de los recursos naturales logrando así la sostenibilidad, competitividad y aumento en la productividad de la floricultura en el mercado, por medio de disminución de tiempos en el proceso.

El aporte del proyecto está encaminado al desarrollo de una herramienta de carácter académico con gran impacto tecnológico para el sector rural, que permita a un dispositivo electromecánico interactuar con las variables del exterior para posteriormente procesar por medio de un software de caracterización que pueda facilitar el trabajo del pequeño productor puesto que la mayoría de la producción agrícola nacional es generada por estas personas, las cuales se verían beneficiadas por la implementación de este sistema que les permitirá realizar un control más eficiente sobre la caracterización de sus cultivos para cosechar un producto con mejores condiciones organolépticas.

Aunque los sistemas de posicionamiento que recorren cultivos son productos que se emplean en la actualidad en invernaderos de ambiente controlado y permiten mejorar los estándares de los productos que allí se cosechan; no existe un producto que haga lo mismo en ambientes no controlados y que permita procesar la información de un punto específico para personalizar las características que existen entre los cultivos por regiones. La incursión de la tecnología en las labores agrícolas, es una herramienta que busca abastecer las necesidades de cualquier problemática en este sector, la ausencia o carencia de ésta encarece y disminuye la productividad, por lo que con este proyecto de baja inversión económica el pequeño productor colombiano pueda saber con datos reales de su cultivo, qué estrategias de mejora puede implementar sobre el mismo.

Por medio de esta propuesta de diseño pretende mejorar los modelos organizacionales de productores y agroindustria aprovechando las innovaciones tecnológicas y científicas para mayor generación de valor agregado, aplicando normas y estándares de calidad para relaciones nacionales e internacionales que le permitan al campesino aplicar sistemas de planificación, seguimiento y monitoreo apropiados sobre su cultivo.

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1.4. ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN

Desarrollar una herramienta de caracterización para el seguimiento y monitoreo ambiental del cultivo de la Quinua conformado por:  Una estación meteorológica con interfaz de usuario: se construye una estación meteorológica para la medición de variables climatológicas (humedad, temperatura, precipitación, velocidad y dirección del viento) con el fin de observar la incidencia de estas en el cultivo. Por último se diseña un algoritmo en MATLAB con el objetivo de generar reportes automáticos para el análisis del comportamiento, crecimiento y madurez del cultivo.  Un mecanismo móvil para el recorrido de una cámara digital y toma de fotografías del cultivo: Para esto se construye un prototipo de mecanismo como el de un polipasto que permite posicionar una cámara encargada de capturar las imágenes objeto de estudio.  Algoritmos de procesamiento de imágenes: para la identificación detallada de características de interés para el cultivador durante el proceso y etapas fenológicas de la Quinua.

1.5. BENEFICIARIO

El desarrollo de esta investigación tiene como fin beneficiar al sector agrícola, especialmente quienes estén interesados en realizar proyectos de investigación sobre la Quinua, permitiendo por medio de una interfaz gráfica caracterizar el cultivo a partir del procesamiento de imágenes y monitoreo de variables ambientales para ver su incidencia sobre el crecimiento y rendimiento del grano.

Adicionalmente esta investigación pretende dar a conocer el cultivo de la Quinua y promover la cultura de siembra de este cereal milenario por medio de una herramienta tecnológica innovadora y fácil de utilizar, que facilita el proceso de identificación y clasificación del cultivo.

26

2.

CAPÍTULO: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

2.1. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO

Si bien hasta hace unas décadas la Quinua únicamente era utilizada por los indígenas de los altiplanos Andinos, hoy en día se ha convertido en un cereal demandado por muchos países que valoran sus grandes propiedades nutritivas, como Inglaterra, Dinamarca, Holanda, España y otros países europeos, de los cuales se ha evidenciado gran interés por la producción, industrialización y comercialización de la Quinua, como una alternativa nutricional.

La Quinua es un cultivo típico de la región Andina de Argentina, Bolivia, Chile, Colombia, Ecuador y del Perú. Según cifras de la Organización de Naciones Unidas para la Agricultura1 en 2009, la producción de Quinua en Perú representó más de 70.000 toneladas en el año, Bolivia 25.000 toneladas y Ecuador con 746 toneladas; con más de 135.000 unidades productivas en los tres países. Entre tanto, para 2013, la Organización internacional declaró la Quinua como el producto más importante por su alto potencial para contribuir en la seguridad alimentaria en el mundo.

En la actualidad en Colombia se cultiva principalmente en los departamentos de Cundinamarca, Boyacá, Cauca y Nariño. A mediados de los ochenta, las proyecciones para la siembra de Quinua en Colombia eran de cerca de 6.000 hectáreas, sin embargo, en los últimos años, diversas entidades públicas y privadas han empezado a promocionar el cultivo y han propiciado acciones encaminadas a reimplantar la Quinua y a conformar su cadena productiva, desde productores, transformadores y comercializadores.

En su tesis de grado Rodríguez Carlos2 expone un sistema automático de monitoreo de variables meteorológicas el cual consistía en determinar variables meteorológicas por medio de sensores electrónicos, por lo cual se diseñó un sistema de adquisición de datos con telemetría basado en microcontroladores PIC 1

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

2 RODRIGUEZ MEJIA, Carlos Alberto. Sistema automático de monitoreo de variables meteorológicas. Tesis Ingeniero en comunicaciones y electrónica. México DF. Instituto Politécnico Nacional Escuela superior de Ingeniería Mecánica y eléctrica. 2013. p 1.

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como unidad de procesamiento, que envía los datos hacia un computador para su visualización a través de una interfaz gráfica de usuario mostrando los valores en tiempo real para observar el comportamiento de las variables meteorológicas y almacenarlas en un archivo.

Como conclusión de la tesis mencionada anteriormente “Se obtuvo información meteorológica en tiempo real a través de los sensores implementados en la estación automática, con el fin de contribuir al pronóstico de los fenómenos climáticos con mayor precisión. Igualmente la interfaz gráfica desarrollada permitió al usuario un monitoreo más eficaz y fácil, de datos y gráficos” 3 En otra investigación en México los estudiantes Rivera Cambero4 y compañeros diseñaron un sistema de visión artificial para seleccionar limón, donde ellos plantean contribuir con el desarrollo tecnológico en la región de la Costa Sur en Jalisco para los productores de limón, sé propuso el diseño de un sistema con base en la visión artificial y el procesamiento de imágenes para selección de limón, aplicando un algoritmo capaz de identificar las características morfológicas como el grado de madurez y su tamaño, utilizando captura, filtros de imagen y toma de decisiones con el programa de MATLAB y una tarjeta de adquisición de datos.

De la anterior tesis Rivera Cambero5 concluye: “Con este sistema se demuestra en síntesis las etapas del proceso de visión artificial. Se analiza la captura de la imagen de la fruta, los valores de los colores en formato RGB y los resultados obtenidos al implementar el filtro de moda para determinar el grado de madurez, así mismo se implementó el algoritmo de contorno, selección de objeto y cálculo de área para obtener el tamaño de la fruta. Se realizó la calibración del algoritmo utilizando el índice de color de cítricos (ICC) comparando el color de madurez con el espectro Hunter Lab y el tamaño con las características deseadas del productor.”

Por otra parte en Ecuador Iván Andrés León Vásquez6 diseño e implemento un robot móvil autónomo y teleoperado para labores agrícolas en septiembre del 2013, proyecto que documentó el proceso de desarrollo para la construcción de un robot prototipo autónomo y teleoperado capaz de realizar fumigaciones en 3

RODRIGUEZ MEJIA, Carlos Alberto. Sistema automático de monitoreo de variables meteorológicas. Tesis Ingeniero en comunicaciones y electrónica. México DF. Instituto Politécnico Nacional Escuela superior de Ingeniería Mecánica y eléctrica. 2013. p 135.

4 RIVERA CAMBERO L, et al. Diseño de un sistema de visión artificial para seleccionar limón. Trabajo de grado. Instituto Tecnológico Superior de La Huerta. Jalisco, 2013. p. 211 5 Ibid. p. 216 6 LEÓN VÁSQUEZ, Iván Andrés. Diseño e implementación de un robot móvil autónomo y teleoperado para labores agrícolas. Trabajo de grado. Ecuador, 2013.

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plantaciones de rosas. Para esto, es necesario evidenciar las características más relevantes en los campos de producción florícola. Se realizan los análisis para determinar los sistemas mecánicos, electrónicos de las etapas de control, potencia y comunicación del sistema. Finalmente se realizan pruebas sobre un campo en condiciones ideales que simula una plantación de rosas, evidenciando el grado de efectividad que tiene la plataforma.

Como conclusión del trabajo de grado realizado por Iván Andrés León Vásquez “La técnica de control más adecuada para el manejo de motores de baja potencia es el control proporcional, dado que no se requiere controlar el arranque pero si su velocidad en funcionamiento” 7 En Lima en el año 2011 Ernesto Alonso Antachoque Espinoza8 diseñó una red inalámbrica de sensores para monitorear un cultivo de plátanos en el distrito de Mala, con la finalidad de lograr un control más eficiente a los escenarios que se presentan en este cultivo y así obtener un producto de calidad, tanto en el mercado nacional como en el mercado internacional.

Como conclusión del trabajo de grado realizado por Ernesto Alonso Antachoque “Con este diseño se buscó generar un grado de confianza entre el mercado local y el internacional ya que la aplicación de una tecnología adecuada y además bien sustentada le garantizará un producto de calidad, sumado al modo de cultivo de manera natural, libre de pesticidas y de cualquier producto químico que es lo que el mercado requiere.”9 Igualmente como segunda conclusión Ernesto afirma “El diseño de una red de sensores inalámbricos brindará un gran aporte a la agricultura en el Perú, ya que es un avance tecnológico en esta actividad y además debido a que usa energía solar, también apoya a la protección del medio ambiente.”… “El uso de sensores permite controlar la humedad y la temperatura a la que están expuestos los platanales, además de controlar el crecimiento óptimo del fruto se evita el ataque de las plagas hacia la planta, ya que los virus que la provocan crecen en un rango determinado de temperatura y humedad.”10

7

LEÓN VÁSQUEZ, Iván Andrés. Diseño e implementación de un robot móvil autónomo y teleoperado para labores agrícolas. Trabajo de grado. Ecuador, 2013.

8 ANTACHOQUE ESPINOZA, Ernesto Alonso. «Diseño de una red inalámbrica de sensores para monitorear un cultivo de plátanos en el distrito de Mala». Trabajo de grado Ingeniero Electronico. Lima. 2011.

9 Ibid 10 Ibid

29

Y por último César Mauricio Barriero Hidalgo11 en Ecuador diseña un sistema de climatización para invernaderos de cultivos de flores, a través de software, con la finalidad de optimizar las condiciones de cultivo de la industria florícola. Con la implementación del hardware y de acuerdo con las necesidades del usuario se podrá instalar el software, que dependiendo del tipo de flor que se va a producir le permitirá tener un control del microclima dentro del invernadero. En este trabajo realizado por Hidalgo los factores climáticos externos son la clave fundamental para que se presenten trabajos como este, el mismo que trata de ayudar y complementarse con otras carreras como agronomía y programación de sistemas, que son muy valiosas con su aporte de ideas para la optimización de tiempo y dinero que es lo que le interesa al inversionista.

2.2. BASES TEÓRICAS

2.2.1. CULTIVO DE QUINUA

La Quinua es un cereal, originario de América del Sur, cosechado desde hace más de 5000 años por las tribus indígenas, es considerado por los científicos como uno de los alimentos más completos que produce la tierra.

Figura 1. Cultivo de Quinua

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO) 11

BARRIERO HIDALGO, César Mauricio. Diseño de sistema de climatización para invernaderos de cultivos de flores, a través de software. Tesis de grado Ingeniero Mecánico. Ecuador. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo 2009.

30

La Quinua es una “semilla de grano” extraordinariamente nutritivo obtenido de plantas nativas a las llanuras altas de la región sudamericana de los Andes.

Históricamente los Incas nombraban la Quinua como grano madre, pues para ellos el comerlo conferiría una vida sana prolongada, no obstante, antes de que los exploradores españoles los obligaron a abandonar su cultivo era considerado una de las primeras fuentes de alimentación.

En más detalle la planta de Quinua alcanza de 3 a 6 metros de altura en suelos arenosos con PH neutro, sin embargo, los científicos han prestado cierto interés debido a su sostenibilidad y adaptación a condiciones de estrés en crecimiento en condiciones ambientales duras. Comúnmente en su hábitat natural, la Quinua inicia la floración en julio para luego producir semillas comestibles a finales de agosto a septiembre dependiendo el tipo o variedad cultivada.

Una de las grandes características de la Quinua es el no tener grandes necesidades de fertilización, pues se considera una planta rústica adaptable a diversos tipos de suelos, climas helados y pluviometría baja.

2.2.1.1. Beneficios nutricionales

De acuerdo a investigaciones realizadas en Latinoamérica por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura FAO12 la Quínoa es un grano que satisface todos los requerimientos en cuanto a nutrición, pues contiene proteínas, grasas, carbohidratos y minerales, y otros aminoácidos como la lisina, isoleucina, treonina y valina, cuyo balance aumenta la calidad de la proteína, siendo así una alternativa llamativa para beneficios nutricionales en cuanto a salud, ya sea empleada como planta medicinal o un alimento rico en proteínas.

De forma resumida se puede decir que la Quinua es un cereal ofrecido en diferentes presentaciones en el mercado, considerado un carbohidrato como los otros cereales, poseedor de aminoácidos esenciales. De igual forma, es un alimento completo gracias a su contenido proteínico, de fácil digestión y con la particularidad de contener un aminoácido denominado lisina, fundamental para el desarrollo neuronal y del cerebro. Por último tiene minerales en importante proporción como calcio, fósforo y hierro.

12

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

31

Por dichas razones, la Quinua es considerada por José Graziano da Silva, director general de la FAO13, como una alternativa para aquellos países que sufren inseguridad alimentaria, desempeñando un papel importante en la erradicación del hambre, la desnutrición y la pobreza.

Tabla 1.Tabla nutricional del alimento por 100g Principio Energía Los hidratos de carbono Proteína Grasa Total Fibra Dietética Los folatos (B9) La niacina (B3) Riboflavina (B2) La tiamina (B1) La vitamina A La vitamina E Sodio Potasio Calcio Cobre Hierro Magnesio Manganeso Principio Fósforo Selenio Zinc

Valor de Nutrientes 368 Kcal 64,16 g 14,12 g 6,07 g 7g Vitaminas 184 g 1.520 mg 0.318 mg 0.360 mg 14 IU 2,44 mg Los electrolitos 5 mg 563 mg Minerales 47 mg 0.590 mg 4,57 mg 197 mg 2.003 mg Valor de Nutrientes 457 mg 8,5 mg 3,10 mg

Porcentaje de RDA 18,50% 49% 35% 20% 18,50% 46% 9,50% 24% 30% 0,50% 17% <1% 12% 5% 65,50% 57% 42% 87% Porcentaje de RDA 65% 15% 28%

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO)

13

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

32

Como dato importante la Organización para la Alimentación y la Agricultura de las Naciones Unidas (FAO) declaró oficialmente el año 2013 como “El Año Internacional de la Quinua”14, una iniciativa propuesta por el Gobierno de Bolivia gracias al alto valor nutritivo, como muestra la tabla 1; biodiversidad sorprendente y papel importante en la seguridad alimentaria en el mundo, pues desde el punto de vista nutricional este ha sido uno de los grandes hallazgos en los últimos años.

2.2.1.2. Descripción Botánica De La Planta

En Colombia, la Quinua se siembra principalmente en clima frío, aunque está adaptada a condiciones de subpáramo y páramo. La Quinua, es una planta herbácea anual, de amplia dispersión geográfica, con características propias en su morfología, coloración y comportamiento en sus diferentes zonas agroecológicas cultivadas, destacando su gran condición para adaptarse a diferentes condiciones ambientales.

Figura 2. Descripción botánica de la planta.

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO) 14

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

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La Quinua se caracteriza por cultivarse desde el nivel del mar hasta los 4000 msnm, ya sean zonas áridas, húmedas o tropicales, en climas fríos, templados o cálidos, con la capacidad de tolerar factores abióticos adversos como son sequía, helada, salinidad de suelos, entre otros. Según expertos la coloración de la planta varia con los genotipos y etapas fenológicas, desde el verde hasta el rojo, con un período vegetativo variable de 90 a 240 días, creciendo en precipitaciones de 200 a 2600 mm anuales, adaptable a diferentes tipos de suelos desde los arenosos a los arcillosos, suelos ácidos con pH de 4.5 hasta alcalinos con pH de 9.0.

Según la página web de la FAO15 acerca de la Quinua en el 2013 como el año internacional de esta planta se obtiene la información sobre la descripción botánica de la planta.  Planta: Es erguida, alcanza alturas variables desde 30 a 300 cm, dependiendo de la variedad, genotipos, fertilidad del suelo y condiciones ambientales donde crece. Es una planta clasificada como C3, su coloración varía con los genotipos y fases de desarrollo.  Raíz: Es pivotante, vigorosa, profunda, bastante ramificada y fibrosa, gracias a sus características da resistencia a la sequía y buena estabilidad a la planta; muy excepcionalmente se observa caídas por efecto de vientos, exceso de humedad y mayormente es por el peso de la panoja, la profundidad de la raíz guarda estrecha relación con la altura de la planta.  Tallo: El tallo es cilíndrico en la base de la planta y anguloso a partir de las ramificaciones. Dependiendo las zonas donde se desarrolla, existen genotipos ampliamente ramificados de coloración variable de verde a roja, de 1 a 8cm de diámetro.  Hojas: Las hojas son alternas y están formadas por lámina y pecíolo. La lámina presenta diferentes formas como romboidal, triangular, plana u ondulada según el genotipo. El color de las hojas varía del verde al rojo con diferentes tonalidades y puede medir 15 cm de largo por 12 cm de ancho, presentando nervaduras pronunciadas y fácilmente visibles.  Inflorescencia: Es una panoja típica, constituida por un eje central, secundarios, terciarios y pedicelos. La longitud de la panoja es variable, dependiendo del tipo de Quinua, lugar donde se desarrolla y condiciones de fertilidad de los suelos, alcanzando de 30 a 80 cm de longitud por 5 a 30 cm de diámetro.

15

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

34

 Flores: Son pequeñas, incompletas y faltas de pétalos, constituida por una corola formada por cinco piezas florales.  Fruto: Es un aquenio de forma cilíndrico- lenticular, levemente ensanchado hacia el centro, de coloración variable, con un diámetro de 1.5 a 4 mm, la cual se desprende con facilidad a la madurez.  Semilla: El grano de Quinua se caracteriza por ser pequeño de forma lenticular, elipsoidal, cónica con diámetro entre 1.5 y 2.5 mm, según la variedad, su color es blanco, crema, gris, café, rojizo o negro, lo cual le brinda características particulares para su uso.

2.2.1.3. Variedades De Quinua

Dentro de las variedades más cultivadas están las mencionadas en la tabla 2.

Tabla 2. Variedades de Quinua.

VARIEDADES

COLOR GRANO

FORMA

Sajama Real Kcancolla Blanca de July Koitu Misa Jupa Amarilla Maranganí Tunkahuan Cochasqui Witulla Negra de Oruro Roja Coporaque Toledo Pandela Chullpi

Blanco Blanco Blanco Blanco Marrón ceniciento Blanco- Rojo Amarillo anaranjado Blanco Blanco opaco Morado Negro Púrpura Blanco Blanco Cristalino

Cónica Cónica Cónica Cónica Esferoidal Cónica Cónica Redondo aplan Esférico Lenticular Redonda Cónica Cónica Cónica Esférica aplan

TAMAÑO (MM) 2.0 – 2.5 2.2 – 2.8 1.2 – 1.9 1.2 – 1.6 1.8 – 2.0 1.4 – 1.8 2.0 – 2.8 1.7 – 2.1 1.8 – 1.9 1.7 – 1.9 2.1 – 2.8 1.9 – 2.1 2.2 – 2.8 2.2 – 2.8 1.2 – 1.8

Fuente: Año Internacional de la Quinua. (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO).

35

Existen más de 3.000 variedades, sin embargo estas están divididas en cinco categorías de acuerdo a los sitios ancestrales de cultivo:  Quinua del Valle: Crece en valles interandinos entre los 2000 y 4000 msnm.

Son plantas grandes muy ramificadas y tienen un periodo largo de crecimiento.  Quinua del Altiplano: Crece en áreas cercanas a lagos, son plantas muy resistentes a las heladas son cortas con el tallo recto y tienen un periodo corto de crecimiento.  Quinua de los salares: Son nativas de Bolivia son muy resistentes y se adaptan muy bien a los suelos salados y alcalinos, son de semillas muy amargas y tienen el más alto porcentaje en proteínas.  Quinua del nivel del mar: Crece al sur de América son poco ramificadas no muy altas con semillas amarillas y muy amargas.  Quinua subtropical: Crece en los valles. Plantas con un color verde intenso que se tornan naranja con la maduración. Sus semillas son pequeñas con colores blancos y anaranjados.

En la siguiente figura se muestra las tonalidades delas diferentes variedades de Quinua.

Figura 3. Variedades de Quinua.

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO).

36

2.2.2. MONITOREO AMBIENTAL

Como lo define el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (Instituto Nacional de Ecologia y Cambio Climatico INECC)16, el monitoreo ambiental, biológico o ecológico, es un sistema continuo de observación, análisis y valoración de medidas para propósitos específicos, aplicado en procesos de evaluación de impactos ambientales, programas de seguimiento y control.

Los programas de monitoreo buscan identificar y cuantificar los potenciales de contaminación de agua, aire, ruido y suelo demostrando los efectos positivos o negativos de un proyecto o evento determinado con el objetivo de controlar, prevenir y/o mitigar impactos ambientales previamente identificados, mediante equipos confiables y exactos.

Para determinar el programa de Monitoreo que se desea implementar en un lugar específico, el (INECC)17 propone que se debe:  Seleccionar las diferentes variables e indicadores de impactos ambientales que se han de medir, monitorear o hacer seguimiento.  Determinar la frecuencia mínima de los muestreos, para el análisis de tendencias y correlación de causa - efecto.  Estipular los puntos de monitoreo, según la ubicación donde se genera más impacto.  Elegir la forma de almacenamiento, procesamiento y análisis del tipo de datos que se desea obtener.  Escoger los equipos a utilizar destacando su nivel de confiabilidad y precisión.

16

INECC, Instituto Nacional de Ecologia y Cambio Climatico. Monitoreo ambiental Agosto 2007. Disponible en Internet: <http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/105/8.html>.

17 Ibid

37

2.2.2.1. Determinación de programas de monitoreo

Una vez definido todo lo anterior se prosigue a determinar los equipos y métodos que se pueden llegar a implementar en la estación de monitoreo ambiental dependiendo su finalidad, la (INECC)18 establece determinar equipos para la determinación de:  Concentración de partículas suspendidas totales.  Ruido  Radioactividad  Meteorología.

2.2.3. ESTACIONES METEOROLÓGICAS

2.2.3.1. Características Generales de las Estaciones Meteorológicas

Una estación meteorológica es un lugar destinado para realizar mediciones puntuales de variables meteorológicas utilizando instrumentos adecuados para establecer el comportamiento atmosférico. Algunos de los patrones meteorológicos más importantes para realizar una medición son:     

Temperatura Humedad presión atmosférica precipitación, Velocidad y dirección del viento.

Las observaciones meteorológicas se realizan con diferentes propósitos; observaciones predictivas para la realización de un análisis sinóptico, que permita realizar pronósticos y alertas sobre la ocurrencia de fenómenos severos, predicciones hidrológicas y agrometeorológicas.

18

INECC, Instituto Nacional de Ecologia y Cambio Climatico. Monitoreo ambiental Agosto 2007. Disponible en Internet: <http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/105/8.html>.

38

La Organización Meteorológica Mundial (OMM)19, clasifica las estaciones meteorológicas según su finalidad, como lo muestra la tabla 3: de acuerdo a las observaciones, el nivel de esta, el lugar a emplear.

Tabla 3. Clasificación estaciones meteorológicas.

SEGÚN SU FINALIDAD Sinóptica

De acuerdo a la magnitud de las observaciones Por el nivel de observación Según el lugar de observación

CLASIFICACIÓN Agrícolas Especiales Aeronáuticas Satélites Principales Ordinarias Superficie Altitud Terrestres Aéreas Marítimas

Fuente: Organización Mundial Meteorológica (Organizacion Meteorológica Munidal OMM).

Los instrumentos para la medición de variables más comunes en una estación meteorológica como lo determina la empresa RADIOCOM20 son:  Termómetro: Dispositivo empleado para medir temperaturas máximas y mínimas en horarios determinados del día.  Termómetros de subsuelo: Dispositivos empleados para medir la temperatura a 5, 10, 20, 50 y 100 cm de profundidad.  Termómetro de mínima junto al suelo: Dispositivo capaz de medir la temperatura mínima a una distancia de 15 cm sobre el suelo.  Barómetro: Instrumento de medida de presión atmosférica en la superficie.

19

OMM, Organización Meteorológica Mundial. «Guía de prácticas climatológicas.» 2011.

RADIOCOM. Estaciones Meteorológicas Automáticas EMAS. Disponible en Internet: <http://www.radiocom.com.co/meteorologia-aeronautica/estaciones-meteorologicas-automaticasemas.html>.

20

39

 Piranómetro: Dispositivo de medida de la insolación solar.  Pluviómetro: Dispositivo empleado para medir la cantidad de precipitación o lluvia que cae en determinada área.  Psicrómetro: Dispositivo capaz medir la humedad relativa del aire y la temperatura del punto de rocío.  Anemómetro: Dispositivo destinado a medir la velocidad del viento.  Veleta: Dispositivo giratorio, con la función de señalar la dirección del viento, generalmente en forma de flecha ubicado en lugares altos. .

La Comisión Nacional del Agua Servicio Meteorológico Nacional21 plantea dos tipos de estructura donde se ubican las estaciones meteorológicas, en la figura 4 se observa una estructura tipo andamio.

Figura 4. Estación meteorológica Tipo Andamio.

Fuente: Comisión Nacional del Agua Servicio Meteorológico Nacional (Comision Nacional Del Agua Servicio Meteorologico Nacional CONAGUA).

21

MEXICO. CONAGUA, Comision Nacional del Agua Servicio Meteorologico Nacional. SMN:EMAS:Tipos de Estaciones. Disponible en Internet: <http://smn.cna.gob.mx/emas/estacion.html>.

40

Por otra parte CONAGUA22, plantea una nueva estructura más versátil, pequeña e igualmente funcional, sin embargo, en este tipo de estructura se ha de tener cuidado en el orden y posicionamiento de los instrumentos para no alterar sus lecturas.

Figura 5. Estación Meteorológica Estructura Tipo Torre Triangular.

Fuente: Comisión Nacional del Agua Servicio Meteorológico Nacional (Comision Nacional Del Agua Servicio Meteorologico Nacional CONAGUA)

2.2.3.2. Estación Meteorológica Automática (E.M.A)

Una EMA, está concedida por un conjunto de sensores que registran y transmiten información meteorológica de forma automática de los sitios donde están estratégicamente colocadas. Su función principal es la recopilación y monitoreo de algunas variables meteorológicas para generar archivos del promedio cada cierto tiempo. Los avances tecnológicos en sensores y controladores permiten que las estaciones meteorológicas registren datos atmosféricos en tiempo real por medio de sensores eléctricos. Las lecturas registradas son procesadas mediante microcontroladores o microprocesadores de forma automática. La estación automática funciona las 24 horas del día en forma 22

MEXICO. CONAGUA, Comision Nacional del Agua Servicio Meteorologico Nacional. SMN:EMAS:Tipos de Estaciones. Disponible en Internet: <http://smn.cna.gob.mx/emas/estacion.html>.

41

autónoma lo que permite registrar un mayor número de datos que si se hiciera de forma manual, adicionalmente trae consigo las siguientes ventajas:  Adquisición de datos durante cualquier evento atmosférico.  Rapidez para realizar trabajos estadísticos.  Acomodación en lugares de difícil acceso.  Confiabilidad en datos meteorológicos.

Figura 6. Diagrama de bloques estación meteorológica automática.

SENSOR

CONTROLADOR

TRANSMISOR

ALIMENTACIÓN

Fuente: (Los Autores)

2.2.4. VARIABLES CLIMÁTICAS DE MEDICIÓN La OMM23 precisa que las variables climatológicas tales como: presión atmosférica, humedad relativa, temperatura del aire en superficie, anemometría y precipitación, tienen una influencia marcada en la siembra y cosecha de los diversos cultivos de Quinua.

2.2.4.1. Presión Atmosférica

Es el fenómeno que se presenta al aplicar una fuerza sobre un área resultante, en otras palabras es la fuerza que ejerce el aire sobre la superficie terrestre en un área determinada. La presión atmosférica cambia con la altitud, a mayor altitud menor presión atmosférica, puesto que es menor la cantidad de aire en el ambiente.

23

OMM, Organización Meteorológica Mundial. «Guía de prácticas climatológicas.» 2011.

42

2.2.4.2. Humedad Relativa

Se entiende por humedad la cantidad de vapor presente en el aire. La humedad relativa es la humedad que contiene una masa con relación a la máxima humedad absoluta que podría admitir sin que se produzca condensación conservando la temperatura y presión atmosférica.

2.2.4.3. Temperatura Del Aire En Superficie

Se entiende como la sensación de calor o frío del aire comprendido a una altura de 1,5 m a 2 m sobre el nivel del suelo.

2.2.4.4. Anemometría

En las mediciones del viento se especifica la fuerza o intención. El viento es considerado un vector que se encuentra definido por una magnitud, dirección y sentido. La magnitud del viento se mide con un anemómetro el cual cuantifica dicha magnitud como una velocidad. La dirección indica hacia donde van las corrientes de aire.

2.2.4.5. Precipitación

Es el resultante de la condensación del vapor de agua que cae de las nubes hacia la superficie de la tierra. Ocurre cuando la atmósfera se satura de vapor de agua y se condensa. La saturación del aire se hace por enfriamiento y adición de humedad.

2.2.5. MECANISMO DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTOS LINEALES

Como definición inicial se debe entender que un mecanismo es un elemento destinado a la transformación de fuerzas y/o movimientos desde un elemento motriz (motor) a un elemento conducido (receptor), siendo su función principal permitir al hombre realizar determinados trabajos con mayor comodidad reduciendo el esfuerzo físico.

43

En resumen:

Figura 7. Diagrama de bloques de un mecanismo.

Movimiento o fuerza de entrada

El mecanismo lo transforma

Movimiento o fuerza de salida

Fuente: (Los Autores)

2.2.5.1. Locomoción

Dependiendo del tipo de terreno existen diferentes tipos de sistemas locomotores, los más comunes son las ruedas, las cadenas y las patas. Los sistemas más populares son aquellos que tienen ruedas debido a la facilidad de construcción y la carga mayor que pueden transportar permitiendo un mayor control sobre un sistema de ambiente locomotor controlado. Su principal desventaja es su uso en terrenos irregulares puesto que para poder sobrepasar obstáculos estos no podrá tener un tamaño mayor al radio de sus ruedas.

Para mecanismos que se vayan a desplazar por entornos naturales la mejor opción es usar tracción por cadenas o tipo oruga, que permiten pasar obstáculos mayores además de no ser susceptibles a daños por piedras o arena. Su principal desventaja está en avanzar y girar.

Para superar con mayor facilidad terrenos inestables y tener mayor estabilidad en terrenos controlados, existen mecanismos con patas, que además ofrecen más grados de libertad, pero para que este sistema locomotor funcione, cada pata necesita mínimamente un par de motores lo que representa mayor coste de construcción y mayor complejidad para controlar.

2.2.5.2. Ruedas

El diseño de las ruedas más comunes cuando se quiere construir una mecanismo móvil pueden ser: diferencial, sincronizada, triciclo y de coche.

44

Diferencial: Desde el punto de vista de diseño y construcción el diseño de ruedas diferencial es uno de los menos complicados sistemas de locomoción puesto que el mecanismo puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas. El problema al momento de diseñar este tipo de ruedas consiste en conseguir que el mecanismo gire a la misma velocidad en todas sus ruedas.

Diseño sincronizado: Con este diseño todas las ruedas son tanto de dirección como motrices, las ruedas siempre apuntan a la misma dirección, con esto para cambiar la dirección el mecanismo gira simultáneamente todas sus ruedas alrededor de un eje vertical de modo que la dirección del mecanismo cambia, pero su chasís sigue apuntando en la misma dirección que tenía.

Los mecanismos de transmisión de movimientos lineales son aquellos que realizan un movimiento sobre una línea recta, realizando una relación entre la transmisión y la transformación de fuerzas a través de un elemento motriz sea fijo o móvil. Como lo define la página Web de Aprendamos tecnología24 algunos mecanismos de transmisión de movimiento lineal pueden ser:

2.2.5.3. Mecanismo tornillo-tuerca

Es un mecanismo de transmisión circular a lineal que consiste en un tornillo que gira y si se mantiene fija la orientación de la tuerca el tornillo avanza con movimiento rectilíneo por dentro de ella. Pero si por el contrario se hace girar la tuerca, manteniendo fijo el tornillo la tuerza avanzará a través del tornillo. Algunos ejemplos de aplicación son: Compás de dibujo, gato de automóviles, grifo hidráulico.

Figura 8. Ilustración mecanismo tuerca-tornillo.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

24

Aprendamos tecnología. Mecanismos de transformación del movimiento. Abril 2009. Disponible en Internet: <http://aprendemostecnologia.org/maquinas-y-mecanismos/mecanismos-de-transformacion-delmovimiento/>.

45

2.2.5.4. Mecanismo piñón-cremallera

Convierte el movimiento giratorio de un eje, sobre el cual va montado un piñón, en un movimiento rectilíneo al engranar los dientes del piñón dentro de una barra prismática llamada cremallera que se desplaza longitudinalmente. Principalmente es usado en: Automóviles de dirección mecánica, puertas corredizas, rieles de tren.

Figura 9. Ilustración mecanismo piñón-cremallera.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

2.2.5.5. Mecanismo biela-manivela:

Está conformado por una manivela y una barra llamada biela, articulada por un extremo y por el otro con un elemento cualquiera que realiza un movimiento alternativo. Al girar la rueda, la manivela transmite un movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén. Su principal limitante consiste en que se realizan desplazamientos lineales muy cortos.

Figura 10. Ilustración mecanismo biela-manivela.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

46

2.2.5.6. Sistema de levas

Permite obtener un movimiento lineal alternativo u oscilante a partir de un movimiento giratorio; sin embargo no permite obtener un movimiento giratorio a partir de un movimiento lineal. Se emplea principalmente en: motores de combustión para apertura y cierre de válvulas.

Figura 11. Sistema de leva.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

2.2.5.7. Mecanismo trinquete

Su objetivo es impedir el giro de un árbol o elemento mecánico en un sentido, permitiéndolo solo en el sentid contrario. Este mecanismo se emplea para producir avances calibrados y exactos. En la práctica el operario tiene dos utilidades: convertir un movimiento lineal u oscilante en un movimiento intermitente y limitar el giro de un eje a un solo sentido.

Figura 12. Mecanismo trinquete.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

47

2.2.6. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

Una imagen en forma genérica es una representación en 2 dimensiones de un objeto de 2 o 3 dimensiones, representada por colores o diferentes niveles de gris, obtenidas por muchos medios, ya sea un sensor electrónico o mediante medios fotográficos.

El término imagen corresponde a una “representación monocromática, referida a una función bidimensional de intensidad de luz f(x; y), donde (x, y) indican las coordenadas espaciales y el valor de f en cualquier punto (x; y) es proporcional al brillo (o nivel de gris) de la imagen en ese punto” según lo citado en la tesis de grado de Liliana Vargas25 acerca de procesamiento de imágenes.

2.2.6.1. Tipos de imágenes

Las imágenes pueden ser divididas en tres tipos según el artículo publicado por Melh y Dr. Osvaldo Peinado26:  Análogas: Son imágenes fotográficas, ya sean en color o blanco y negro. El sistema fotográfico consistente de lentes, filtros, películas y el sistema de revelado y copiado, lo que hace es transformar la reflexión espectral de las superficies de los objetos en valores de gris o color de acuerdo a la intensidad de la radiación recibida.  Digitales: Una imagen digital es la digitalización de la energía radiante recibida. La imagen resultante es una matriz discreta de valores numéricos que representan niveles de gris o color, estos puntos representan áreas pequeñas llamados elementos de imagen o pixeles, debido a que estos pixeles representan valores numéricos o valores digitales.  Vectoriales: Consisten en almacenar no todo el conjunto de pixeles sino puntos o vértices que formen una línea que sea representativa de algo, por ejemplo bordes del resultado de una clasificación, caminos, autopistas, vías de ferrocarril, separación entre cultivos, etc.

25

LAGOS, Liliana. Sistemas de compresión de Imágenes. Tesis Facultad de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones. Poza Rica. Universidad Veracruzana. 2007.

26 MELH, Dr. Harald y Dr. OSVALDO Peinado. «Fundamentos de procesamiento de imágenes.»

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Algunas de las tareas fundamentales del procesamiento digital de imágenes son: el mejoramiento de una imagen digital con fines interpretativos y la toma de decisiones de manera automática de acuerdo al contenido de la imagen digital.

Las imágenes pueden ser digitalmente analizadas ya sea por técnicas de procesamiento digital de imágenes (DIP) o con teoría de conjuntos, denominada morfología matemática.

2.2.6.2. Imágenes digitales y su procesamiento

En forma breve el procesamiento de imágenes es el conjunto de métodos y/o técnicas aplicadas a imágenes digitales con el objetivo de mejorar la calidad para facilitar la búsqueda de información en el análisis y estudio detallado de ciertas características que se desea evidenciar. En el Capítulo V se desarrolla, explica y describe de forma clara las técnicas, métodos y pasos que se siguen para el desarrollo del proyecto mediante la implementación de procesamiento de imágenes empleado en MATLAB.

Figura 13. Etapas de procesamiento digital de imágenes.

Segmentación

Descripción Resultado

Preprocesado Adquisición de imágenes

Base de conocimiento

Fuente: Sistema de compresión de imágenes (Lagos).

49

Reconocimiento e interpretación

3.

CAPÍTULO: SISTEMA DE VARIABLES

3.1. DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE LA VARIABLES A MEDIR  Clima: Es el resultado de la interacción de diferentes factores atmosféricos, biofísicos y geográficos que pueden cambiar en el tiempo y el espacio: la temperatura, presión atmosférica, viento, humedad, lluvia, latitud, altitud, masas de agua, distancia al mar, calor, corrientes oceánicas, ríos y vegetación.  Relieve: Está formado por todo aquello que sobresale de una superficie plana o que la modifica. El concepto suele emplearse para denominar a las elevaciones y las depresiones que se encuentran en nuestro planeta.  Suelo: Es una mezcla de minerales, materia orgánica, bacterias, agua y aire.

Se forma por la acción de la temperatura, el agua, el viento, los animales y las plantas sobre las rocas.  Precipitación: Cantidad de agua que cae a la superficie terrestre procedente de la atmósfera, ya sea de forma líquida, como la lluvia o llovizna; o sólida, como la nieve o el granizo.  Temperatura: Cantidad de calor que posee la atmósfera, dependiendo de la energía del Sol.  Humedad: Cantidad de vapor de agua presente en el aire, originada por la evaporación del vital elemento desde los océanos, lagos y ríos.  Viento: Son masas de aire en movimiento, que se trasladan desde las zonas de baja temperatura y alta presión, hasta las zonas de alta temperatura y baja presión.  Luz: Es todo el espectro de radiación electromagnética emitida por el Sol.  Altitud: Relación de la altura de un lugar de la Tierra con el nivel del mar.  Latitud: Distancia existente entre un punto de la Tierra y la línea del Ecuador.  Presión atmosférica: Se refiere a la fuerza que ejerce la atmósfera en todas las direcciones, producto del peso de sus capas superiores y de la atracción (fuerza de gravedad) que ejerce la superficie terrestre.

50

 Enfermedades: Parasitarias o infecciosas. Alteraciones producidas por organismos vivos distintos de los animales.

3.2. DEFINICIÓN OPERACIONAL DE LA VARIABLE

En este capítulo se definen las variables en función de factores estrictamente medibles dentro del proyecto.  Relieve: Su influencia es doble, por un lado, la altitud y por otro la orientación. Es un factor por su forma y posición, actuando sobre las temperaturas y las precipitaciones. Funciona como biombo a los vientos.  Suelo: La variedad de climas y rocas tiene su correspondencia en los distintos tipos de suelos, que son el elemento orgánico mineral que enlaza el roquedo con la vegetación y posibilita el crecimiento de unas plantas u otras.  Clima: Es el conjunto fluctuante de las condiciones atmosféricas, caracterizado por los estados y las evoluciones del tiempo en una porción determinada del espacio. Influye en la vegetación a través de todos sus elementos y combinaciones.  Precipitación: Influyen según la cantidad, el tipo, la distribución temporal. La no existencia de lluvia es un factor determinante. Hay especies adaptadas a la sequía y a la humedad en distinto grado.  Temperatura: Por sí misma marca un tipo de vegetación, marca un umbral frío y un techo cálido. Juega un rol importante en el crecimiento de la planta, las especies de estación fría, no florecen si la temperatura es muy cálida. Por otro lado, las plantas de estación cálida entrarán en latencia si las temperaturas son muy bajas. Los valores extremos pueden afectar el crecimiento y el vigor de cualquier planta.  Humedad: El agua es un componente principal de la fotosíntesis ayuda a los tejidos a permanecer firmes y a mover nutrientes a través de la planta. Un ambiente constantemente húmedo puede, además, estimular el crecimiento de hongos, que pueden debilitar o matar a tu planta.  Viento: Puede favorecer o no la evapotranspiración de las plantas. Puede impedir un desarrollo arbóreo en determinadas circunstancias. Es un agente transportador de especies (transporte de semillas).

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 Presión atmosférica: Una de las razones por las que las plantas tienen problemas para crecer en otros planetas es la diferencia en la presión atmosférica.  Luz: Una planta que recibe suficiente luz solar estará más capacitada para producir los nutrientes que precisa para crecer. A medida que la cantidad disminuye en invierno, también lo hacen la fotosíntesis y el crecimiento.  Altitud: Este factor influye sobre la temperatura y sobre la pluviosidad o lluvia. . Genera una estratificación vegetal en pisos, ya que al aumentar la altitud la temperatura disminuye aproximadamente en un grado cada 180 metros. Esto sucede porque en las zonas de menor altitud el aire es más denso y es capaz de retener el calor.  Latitud: Influye directamente sobre la temperatura. Mientras más cerca del Ecuador se esté, más cálida será la temperatura; por el contrario, si uno se va acercando a los polos, la temperatura bajará considerablemente.

52

4.

CAPÍTULO: METODOLOGÍA

4.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN

En este capítulo se hablará de un proyecto de evaluación orientado a comprobar si los factores climáticos en la zona de Zipaquirá influyen significativamente en el desarrollo y ciclo productivo de la Quinua para dar mejoras en eficacia, calidad, eficiencia e impacto en el proceso productivo en cultivos de la Sabana.

Así mismo se expone un proyecto de tecnología para el sector rural, basada en sistemas de calidad para establecer y facilitar las tareas productivas de los cultivos, mediante métodos relacionados con la rama productiva que permiten controlar y evaluar el proceso de producción y desarrollo enfocados en técnicas de procesamiento de imágenes en cultivos de Quinua.

4.2. POBLACIÓN Y MUESTRA

4.2.1. POBLACIÓN

El proyecto se dedica a desarrollar una herramienta para el estudio de las características y propiedades de la Quinua, centrados en la fenología de dicha planta; la relación entre los factores climáticos y los ciclos de la planta, es decir, la influencia que puede llegar a tener dichos factores con respecto al proceso de crecimiento, producción y desarrollo en cultivos de Quinua, con un enfoque o recomendación a llegar aplicarse a otra especie de cultivos.

4.2.2. MUESTRA

Según expertos solo basta con estudiar un 10% del cultivo para lograr evidenciar las características y propiedades que posee la planta, la presencia o ausencia de plagas y enfermedades también en ella.

53

4.3. TÉCNICAS DE LA RECOLECCIÓN DE DATOS

La investigación se basa en métodos de observación, experimentación y medición en campo que permiten la obtención y procesamiento de datos que caracterizan a los fenómenos.

Se emplea la herramienta diseñada para la recolección de datos cuantitativo del crecimiento de la planta en el ciclo productivo del cultivo, mediante el registro fotográfico y la toma de datos semanales. Así mismo se lleva el registro y monitoreo de variables ambientales cada cuatro horas durante un mes con un tiempo de muestreo por minuto, obteniendo información del comportamiento de la temperatura máxima, temperatura mínima, humedad máxima, humedad mínima, velocidad del viento durante el día, dirección del viento en el día, precipitación diaria, actual y semanal, presión atmosférica y altitud.

Adicionalmente se emplea un método cualitativo mediante la observación continúa del crecimiento de la planta, destacando las características más visibles tales como: apariencia, frescura, tonalidad, madurez, estado, tamaño, calidad, asepsia y presencia de plagas, mediante la implementación de procesamiento de imágenes.

4.4. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

A continuación se precisa la estructura de descomposición del trabajo a realizar, donde se organiza y define el alcance total del proyecto, de acuerdo a la distribución jerárquica asignada como se puede observar en la figura 14.

4.5. ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DEL TRABAJO

En la siguiente figura se muestra el diagrama de descomposición del proyecto, definiendo cada etapa que este tiene, los pasos a seguir para el cumplimiento y elaboración, determinando el proceso a seguir en el desarrollo del trabajo.

54

Figura 14. Diagrama de las fases a seguir en el proyecto.

Metodología Fase 1. Estación de Monitoreo Ambiental (Diseño Mecatronico)

Parte Electromecánica

Diseño electrónico y mecanico Montaje electriomecani co Ensamblaje mecánico y eléctrico Pruebas experimentale s

Fase 2. Mecanismo móvil (Herramienta de caracterización)

Programación

Adquisición de datos mediante Arduino UNO Comunicación e interacción MATLAB y Arduino UNO Generar archivos .xls mediante MATLAB

Diseño electrónico y mecanico de la herramienta

Fase 3. Procesamiento de imágenes

Algoritmo en MATLAB

Mecanizado partes mecánicas

Captura

Montaje mecánico de la herramienta

Preprocesamiento

Ensamble mecánico y eléctrico

Segmentación

Pruebas del mecanismo en campo

Extracción de características (apariencia, tamaño, etc)

Generar reportes diarios de medición de la Estación

Identificación de objetos

Diseño Interfaz de usuario mediante GUI Programación de interfaz de usuario Pruebas y mejoras de funcionamiento

Fuente: (Los Autores)

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Fase 4. Análisis de resultado

Pruebas experimentale s Monitoreo durante la época de desarrollo de la planta Análisis de datos

Fase 1. Estación de monitoreo ambiental (diseño Mecatrónico)

En esta fase se realiza el diseño, construcción, montaje electromecánico y programación de la estación de monitoreo ambiental. Para eso se subdivide esta etapa en parte electromecánica y programación.

Parte Electromecánica:  Diseño electrónico de la estación.  Diseño mecánico de la estación.  Montaje eléctrico de la estación.  Montaje mecánico de la estación.  Arreglos y adecuaciones finales al montaje mecánico.  Ensamblaje mecánico y eléctrico.

Programación:  Adquisición de datos mediante Arduino UNO.  Comunicación e interacción MATLAB y Arduino UNO.  Generar archivos .xls mediante MATLAB.  Generar reportes diarios de medición de la Estación.  Diseño Interfaz de usuario mediante GUI.  Programación de interfaz de usuario.  Pruebas y mejoras de funcionamiento.

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Fase 2. Mecanismo móvil (Herramienta de caracterización)

En esta fase se diseña y elabora la construcción de un mecanismo móvil para el recorrido del cultivo, realizando las siguientes tareas para lograr el objetivo.  Diseño electrónico de la herramienta.  Diseño mecánico de la herramienta.  Mecanizado partes mecánicas.  Montaje mecánico de la herramienta.  Ensamble mecánico y eléctrico.  Arreglos y adecuaciones finales de la herramienta.  Pruebas del mecanismo en campo.

Fase 3. Procesamiento de imágenes

Se realiza un estudio de los diferentes métodos y procesos en tratamiento de imágenes, para el desarrollo de un algoritmo en función a la extracción de características visibles para el debido estudio y análisis del comportamiento de la Quinua. Las etapas del estudio la componen:  Algoritmo en MATLAB.  Captura.  Pre-procesamiento.  Segmentación.  Extracción de características (apariencia, tamaño, etc).  Identificación de objetos.

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Fase 4. Análisis de resultados

Finalmente en esta etapa se desarrolla diferentes tipos de pruebas de funcionamiento, para la ejecución y puesta en marcha de la herramienta académica, siguiendo las siguientes labores:  Pruebas experimentales.  Monitoreo durante la época de desarrollo de la planta.  Análisis de datos.

58

5.

CAPÍTULO: IMPLEMENTACIÓN Y DESARROLLO DE LA HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN PARA EL SEGUIMIENTO Y MONITOREO AMBIENTAL DE CULTIVOS DE QUINUA

En este capítulo se describe de forma detallada las diferentes partes del proyecto, una herramienta de caracterización para el seguimiento y monitoreo del cultivo de Quinua, explicando los sistemas mecánicos, electrónicos del mecanismo móvil, la estación meteorológica y la etapa de procesamiento de imágenes para el registro y análisis de fotografías del cultivo.

Adicionalmente se explica el funcionamiento de cada una de las partes que componen la herramienta, detallando el dónde y porque, se deben situar el mecanismo de recorrido del cultivo y la estación meteorológica. En el caso del mecanismo móvil tiene la función de movilizarse o realizar el recorrido dentro del cultivo de Quinua, por tal razón es ubicado en un lugar estratégico dentro del cultivo divisando un 10% de este, la muestra que ha de ser objeto de análisis. Por otra parte, la estación meteorológica es la encargada de hacer las mediciones de las variables climatológicas, motivo para ubicarlo estará en un espacio llano alejada de obstáculos de gran altura.

Finalmente, el capítulo V y VI exponen la forma en que se emplea la herramienta, el objetivo que esta tiene, los resultados que otorga para el análisis, estudio del crecimiento, desarrollo y comportamiento que tiene el cultivo, notando así la incidencia, ayuda e impacto que tiene la herramienta para generar reportes e informes sobre el monitoreo ambiental del cultivo; información que al usuario ayudará para el seguimiento diario o mensual que lleva la planta.

Básicamente la herramienta se compone de un mecanismo de recorrido del cultivo, una estación meteorológica y un algoritmo de procesamiento de imágenes, los cuales, aunque tienen funciones independientes, en conjunto los 3 tienen un mismo fin, dar las pautas para el estudio de las características y propiedades de la Quinua, centrados en la fenología de la planta, es decir, la relación entre los factores climáticos y los ciclos de la planta. Por último su otra finalidad es observar el comportamiento del cultivo en presencia de ataques de factores bióticos (plagas, enfermedades, aves y malezas) y factores abióticos (sequia, heladas y granizada) mediante el procesamiento de imágenes.

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Figura 15. Partes de la herramienta de caracterización.

HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN PARA EL SEGUIMIENTO Y MONITOREO AMBIENTAL DE CULTIVOS DE QUINUA

Estación Meteorologica e interfaz de usuario

Mecanismo móvil para el recorrido del cultivo

Procesamiento de imágenes

Observar el COMPORTAMIENTO DEL CULTIVO EN SU ETAPA DE CRECIMIENTO Mediante

Fases fenológicas

Crecimiento y desarrollo de la planta

Factores biticos y abioticos que atacan el cultivo

Para generar Reportes e informes del seguimiento y monitoreo acerca del comportamiento de la planta su crecimiento y factores climatologicos durante su desarrollo Fuente:(Los Autores).

La figura anterior describe de global el proyecto, dividendo este en tres parte, las cuales son:  Estación Meteorológica  Mecanismo móvil para la toma de fotografías  Algoritmos de procesamiento de imágenes 60

5.1. CULTIVO DE QUINUA

La revista INNOVAR de ciencias administrativas y sociales, en el articulo publicado por Montoya, Martínez y Peralta27, expresan que durante los últimos años el interés por la Quinua ha aumentado, cultivándose en países fuera de su origen como en América del Norte, Colombia, Chile, Argentina, todo gracias a su potencial en mercado interno y externo tanto por la alta calidad de proteína como por su alto nivel de aceptación a condiciones adversas como sequía, heladas y suelos salinos. En Colombia las zonas de producción de esta planta están ubicadas en el departamento de Nariño, en las localidades de Ipiales, Puesres, Contadero, Córdova, San Juan, Mocondino y Pasto, trabajando con cuatro variedades denominadas, Rosada de Junín, Blanca de Junín (Perú), Amarilla de Maranga ni (Perú) y Nariño (Colombia).

Este capítulo explica temas relacionados con las características del cultivo de Quinua como: Descripción botánica de la planta, manejo del cultivo, fenología, factores bióticos, abióticos que atacan al cultivo y los requerimientos climáticos que este necesita. Cabe señalar que toda la información es obtenida de la página web de la FAO dedicada al año internacional de la Quinua FAO28, e igualmente de artículos publicados por el Ministerio de Agricultura del Perú29.

5.1.1. DESCRIPCIÓN BOTÁNICA DE LA PLANTA

La Quinua es una planta herbácea anual alcanzando una altura de hasta de 3 metros. La raíz es pivotante y ramificada, permitiendo el consumo de nutrientes y agua hasta una profundidad de 180 cm.

El tallo de la Quinua es cilíndrico con un diámetro de 1 a 8 cm en la base de la planta, presentando una coloración entre verde y rojo. La ramificación depende de los ecotipos, variando una de otra. Las hojas tienen forma de “pata de ganso”, un peciolo alargado y acanalado; dependiendo de los ecotipos sus bordes son aserrados, dentados o lisos y su coloración puede variar de rojo, púrpura, anaranjado y amarillo.

27

MONTOYA, Luz, LUCERO Martínez y JOHANNA Peralta. «Analisis de variables estratégicas para la conformación de una cadena productiva de quinua en Colombia.» NNOVAR, revista de ciencias administrativas y sociales (2005).

28 FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

29 Ministerio de Agricultura del Perú. «Manejo de observaciones Fenologicas.». Peru.

61

La inflorescencia de la Quinua está formada por una panoja de 30 a 80 cm de longitud y 5 a 30 cm de diámetro, con un eje central, ejes secundarios y terciarios.

Cada panoja sujeta 80 a 120 glomérulos y de 100 a 3000 semillas que rinden hasta 500 gramos de grano por panoja. Por último, las flores son pequeñas y el fruto es un aquenio seco, de forma cilíndrica o lenticular de 1,5 a 4 mm de diámetro30.

Gracias a sus características, la Quinua, es uno de los pocos cultivos que se desarrolla sin muchos inconvenientes en condiciones extremas de clima y suelos, debido a su gran adaptación a las variaciones climáticas y su uso eficiente de agua.

Figura 16. Descripción botánica de la Quinua.

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO).

30

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

62

5.1.2. MANEJO DEL CULTIVO DE QUINUA

Este capítulo se basa en la información suministrada por la página Web de la FAO31 sobre el Año Internacional de la Quinua 2013.

5.1.2.1. Preparación Del Terreno

Elegir una zona adecuada que cumpla con los requisitos para la producción y cultivo de la Quinua, luego preparar el terreno, mediante el uso de maquinaria agrícola para el roturado, rastreado y nivelado, con la finalidad de asegurar una buena cama de adaptación para la semilla.

El objetivo principal es asegurar la germinación de la semilla, facilitar la emergencia de plántulas y el posterior crecimiento y desarrollo del sistema radicular pivotante de la Quinua. El proceso que se lleva a cabo para la preparación de suelos, consta de las siguientes etapas: Aradura, rastrado, nivelado y mullido de suelo.

5.1.2.2. Siembra

Seleccionar de las diferentes variedades y ecotipos de Quinua que por sus características fenológicas pueden resistir heladas y sequías, para eso se debe elegir la época correcta de siembra dependiendo de la disponibilidad de agua, de la variedad y de la altitud. Cabe señalar, que la semilla a utilizar sea certificada y de alta calidad.

Una vez seleccionada la semilla a sembrar, buscar un sistema de siembra adecuado, ya sea al voleo, en hilera, en surcos o en melgas, sin importar el método a utilizar la distribución de la semilla puede ser a chorro continuo o manualmente; recordar que la profundidad de siembra es de6 a 8 cm.

La cantidad de semilla por hectárea está entre 10 a 12 kg, por lo cual, la siembra debe realizarse cuando el suelo tiene una buena humedad aprovechando las lluvias, requiriendo una precipitación mínima para la germinación de la semilla de Quinua entre 30 a 45 mm, por dos a cinco días.

31

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Año Internacional de la Quinua 2013.

Disponible en Internet: <http://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/planta/es/>.

63

5.1.2.3. Abonamiento Orgánico/Ecológico

El abonamiento orgánico para el cultivo de la Quinua es mediante la incorporación de materia orgánica en forma de estiércol amortiguando el efecto nocivo de la salinidad.

5.1.2.4. Labores De Cultivo  Deshierbe: Lo ideal es realizarla en las primeras etapas fenológicas, ya que los cultivos de Quinua son invadidos rápidamente por las malezas; para esto el deshierbo se realiza a medida que la maleza supera el tamaño de la planta de fácil manipulación.

Los momentos perfectos para deshierbar serán de acuerdo a la incidencia y tipo de malezas en el cultivo, pues según la experiencia se recomienda realizar el deshierbo cuando la plántula tenga 15 a 20 cm o cuando hayan transcurrido 30 días después de la emergencia.  Depuración: Consiste en eliminar plantas de Quinua débiles, extrañas a la variedad y variedades silvestres. Durante los primeros estados fenológicos; es decir, la recomendación general de la depuración debe realizarse hasta antes del inicio de floración; con el fin de reducir mezcla en la semilla y la aparición de nuevos genotipos en la siguiente generación.  Raleo: Es una operación adicional a la depuración, radica en la eliminación de plantas para ajustar el número de plantas por área y por surco. Logrando idealmente una separación entre plantas de 0.08 a 0.10 m, es decir 15 a 20 plantas por metro lineal.  Aporque: Consiste en poner tierra al pie de las plantas para darles mayor consistencia y así conseguir que crezcan nuevas raíces para asegurar nutrición más completa de la planta y conservar la humedad durante más tiempo.

5.1.2.5. Riego

Gracias a su anatomía, fenología y morfología la Quinua prospera con precipitaciones desde 250 a 500 mm anuales. Si es necesario hacer uso de 64

sistemas de riego, se aconseja realizarlos en forma periódica, pudiendo ser tanto por aspersión, como por goteo.

5.1.2.6. Control de Maleza, plagas y enfermedades

Ya que en las primeras etapas de crecimiento la Quinua carece de fuerza para combatir con las malezas, cuando éstas la superan en crecimiento, es necesario realizar periódicamente el control de malezas, especialmente en los primeros 20 días de la plantación.

La Quinua es susceptible al ataque de las plagas, por lo tanto se debe realizar un control oportuno, para combatir y mitigar, ya sea mediante el uso de controles tradicionales (productos caseros), culturales (rotación del cultivo) o biológicos.

5.1.2.7. Cosecha

La cosecha al igual que la siembra depende de las condiciones climáticas de cada zona, considerada así una de las etapas más críticas de la producción de Quinua.

Como información a tener en cuenta si la lluvia se retrasa se posterga el inicio de la cosecha, pero si es una temporada seca se aceleran la maduración del grano.

Se puede saber que la Quinua está a punto de entrar a su etapa de cosecha: primero, cuando los granos han adquirido una consistencia tal que resisten a la presión con las uñas y segundo cuando las plantas se hayan defoliado y muestren un color amarillo.  Siega: Se realiza cuando la planta está por secarse, las hojas se desprenden y la panoja adquiere su verdadero color de madurez. Esta técnica se efectúa cortando la panoja a una altura de 40 cm a 50 cm desde el suelo con ayuda de una segadora.  Trilla: Se realiza después de 15 días de la siega, cuando la humedad del grano no debe ser ni muy seco ni muy húmedo (12 - 15%). En esta técnica se golpea la panoja con un mazo o se puede utilizar trilladoras estacionarias.

65

5.1.2.8. Post Cosecha

En esta etapa se procede hacer almacenado en diferentes lugares dependiendo en que se ha de usar, recuerde, el grano que contiene demasiada humedad no puede estar almacenado por más de 24 horas, pues al calentarse es propenso al desarrollo de los hongos, por esta razón es determinante almacenar en lugares secos, limpios y buena ventilación.

5.1.3. FENOLOGÍA DEL CULTIVO

La fenología, es el estudio de los cambios diferenciables y visibles que muestran las plantas como resultado de sus relaciones con las condiciones ambientales (temperatura, luz, humedad, suelo) donde se desarrollan, durante su período vegetativo y reproductivo.

La fenología mide los diferentes estados o fases de desarrollo de la planta, mediante una apreciación visual en la que se determina los distintos eventos de cambio o transformación fenotípica de la planta, relacionadas con la variación climática, dando rangos comprendidos entre una y otra etapa.

5.1.3.1. Fases Fenológicas Del Cultivo

Es de saber que la duración de las fases fenológicas depende mucho de factores ambientales de la zona de cultivo. Por ejemplo, investigaciones hechas en Perú dan a conocer que si se presentan precipitaciones largas y continuas durante los primeros 4 meses del año las fases fenológicas se alargan y por lo tanto el periodo vegetativo es mayor, lo cual causa disminución en la producción. Sin embargo, cuando hay presencia de verano, la duración de las fases son cortas y el periodo vegetativo es menor, mejorando así la cosecha.

Adicionalmente la influencia de la humedad del suelo, pues en un suelo arcilloso, las fases se alargan debido al alto contenido de humedad en él, todo lo contrario en un suelo arenoso.

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En la siguiente figura se observa las etapas o fases fenológicas de la Quinua, los días después de la siembra en la que cambia de fase y las labores de cultivo que se deben desarrollar en cada una de ellas.

Figura 17. Fases fenológicas de la Quinua.

Fuente: Año Internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO)  Pre-Emergencia: Etapa correspondiente a la siembra, germinación y comienzo de la emergencia, la cual dura una semana después de la siembra, variando en función a la humedad del suelo y clima.  Emergencia: Se desarrolla durante la segunda semana después de la siembra y es cuando la plántula emerge del suelo a manera de una cabeza de fósforo y extiende las hojas cotiledonales.  Dos hojas cotiledonales: Es cuando los cotiledones emergidos se separan y muestran las dos hojas cotiledonales extendidas de forma lanceolada angosta; en muchos casos se puede distinguir la coloración que tendrá la futura planta sobre todo las pigmentadas de color rojo o púrpura ocurriendo a los 10 a 15 días después de la siembra.

67

 Dos hojas verdaderas: Es cuando, fuera de las dos hojas cotiledonales, aparecen dos hojas verdaderas extendidas con forma romboidal y nervaduras claramente visibles. Dicha etapa ocurre de los 15-20 días de la siembra, mostrando un crecimiento rápido del sistema radicular; cabe resaltar, en esta fase puede ocurrir el ataque de los gusanos cortadores de plantas tiernas.  Cuatro hojas verdaderas: Etapa en la cual adicional a las hojas cotiledonales de color verde, se observan dos pares de hojas totalmente extendidas encontrándose en la yema apical las siguientes hojas del ápice y el inicio de formación de yemas axilares. Esta etapa ocurre de los 25-30 días después de la siembra, en esta fase ya la planta posee resistencia a la sequía y al frío. Adicionalmente la presencia de hojas tiernas son causantes de ataques de insectos masticadores de hojas sobre todo cuando hay escasez de lluvias.  Seis hojas verdaderas: Fase en la cual se observa tres pares de hojas verdaderas extendidas, las hojas cotiledonales toman color amarillento y se ven algo flácidas, se notan ya las hojas axilares, esta fase ocurre de los 3545 días de la siembra, en la cual se nota con mayor claridad la protección del ápice vegetativo por las hojas más adultas, especialmente cuando se presentan bajas temperaturas, sequía y sobre todo al anochecer.  Ramificación: Se observa ocho hojas verdaderas extendidas con presencia de hojas axilares hasta el tercer nudo, las hojas cotiledonales se caen, notando presencia de inflorescencia protegida por las hojas sin dejar al descubierto la panoja, ocurre aproximadamente a los 45 a 50 días de la siembra. Durante esta fase se efectúa el aporque y el abonado orgánico complementario.  Inicio del panojamiento: La inflorescencia se nota que va emergiendo del ápice de la planta, observado alrededor aglomeración de hojas pequeñas, las cuales van cubriendo la panoja en sus tres cuartas partes; esto puede ocurrir alrededor de los 55 a 60 días de la siembra, apreciando amarillamiento del primer par de hojas verdaderas, engrosamiento y elongación del tallo.  Desarrollo del panojamiento: Se considera la etapa de desarrollo del panojamiento cuando la inflorescencia sobresale con claridad por encima de las hojas, notándose los glomérulos que la conforman; así mismo, se puede observar en los glomérulos de la base los botones florales individualizados.

Esta etapa ocurre de los 65 a 70 días de la siembra; a partir de esta etapa se puede consumir las panojas tiernas como verdura.  Inicio de floración: Inicia la floración cuando la flor hermafrodita apical se abre mostrando los estambres separados, aproximadamente a los 75 a 80 68

días después de la siembra, en esta fase es bastante sensible a la sequía y heladas.  Floración: Se considera la etapa de floración cuando el 50% de las flores de la inflorescencia principal se encuentran abiertas, esto ocurre de los 90 a 100 días de la siembra, esta fase es muy sensible a las heladas, pudiendo resistir solo hasta -2°C, debe observarse esta epata al medio día, ya que en horas de la mañana y al atardecer las flores se encuentran. Esta fase es muy sensible a las heladas y granizadas.  Grano lechoso: Fase cuando los frutos al ser presionados, explotan y dejan salir un líquido lechoso, ocurre de los 100 a 130 días de la siembra.  Grano pastoso: Fase cuando los frutos al ser presionados presentan una consistencia pastosa de color blanco, ocurre de los 130 a 160 días de la siembra.  Madurez fisiológica: Es la fase en la que la planta completa su madurez, y se reconoce cuando los granos al ser presionados presentan resistencia a la penetración, ocurre de los 160 a 180 días de la siembra.  Madurez de cosecha: Es cuando los granos aparentan estar casi sueltos y listos para desprenderse.

5.1.4. FACTORES BIÓTICOS Y ABIÓTICOS QUE ATACAN LA QUINUA

Es importante considerar la presencia de especies arvenses (malezas), plagas y enfermedades que se pueden presentar en el cultivo de Quinua, puesto que es sensible a malezas, principalmente en sus primeras fases, por lo cual se recomienda realizar deshierbos oportunos para evitar la presencia de plagas y enfermedades que pueden disminuir y afectar el rendimiento y calidad de la semilla.  Insectos plagas: Entre los principales insectos que afectan el la Quinua se tienen:  Copitarsia, la larva afecta el cultivo en el estado de plántula y la formación de panoja.  Spodoptera, la larva afecta las plántulas en los estados iníciales de desarrollo.

69

 Arvenses: En clima frío las principales malezas gramíneas son las siguientes: kikuyo, raigrás, falsa poa; las malezas de hoja ancha: cenizo, bledo, nabo, bolsa de pastor, gualola.  Enfermedades: Aunque no es común la presencia de enfermedades, las más importantes reportadas en la literatura son las siguientes:  Mildeo velloso, ocasionado por el hongo (Peronosporasp).  Mancha circulares, blancas por hongos.

Tabla 4. Las plagas de mayor importancia que atacan cultivos de Quinua.

Nombre científico EurysaccaQ uinuaePovol ny Copitarsiatu rbata H.S. Epitrixsp.

Myzuspersi cae Perizomaso rdescensDo gnin

Nombre común

Estado que causa daño

Tipo de daño

Órgano atacado

Categoría

kconakcona k’haq’okuru

Larvas

Moledor de grano

Panojas

Clave

Larvas

Cortadores de plantas

Tallos, panojas

Ocasional

Adultos

Perforador

Hojas

Potencial

Ninfas y adultos

Picachupad or

Hojas y panojas

Potencial

Larvas

Defoliador

Hojas

Potencial

Panojero ticuchi Pikipiki Pulguilla saltona Pulgon qhomer usa gusano medidor cuarta cuarta

Fuente: Manejo agronómico del cultivo de Quinua (CALLA Jael).

En investigaciones realizadas en el Perú presentadas por el Consorcio Para El Desarrollo Sostenible De La Ecorregion Andina (CONDESAN)32, basados en el muestreo y seguimiento de la presencia de plagas en cultivos de Quinua se dice que el Gorgojo negro (Adioristus), aparece a los 15 días después de la siembra deteriorando las plántulas recién emergidas. Así mismo los gusanos de tierra se presentan a los 30 días. Las larvas de la polilla Eurysaccamelanocampta Meyrick hace su aparición a los 45 días después de la siembra, en el estado fenológico de ramificación desfoliando las hojas, manteniéndose constante hasta los 70 días 32

WILLIAM’S, Hidalgo y S.-E, Jacobsen. En: CONDESAN, Consorcio Para El Desarrollo Sostenible De La Ecorregion Andina. «Principales plagas del cultivo de la quinua en la sierra central del Perú, y las perspectivas de control integrado.». Peru.

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después de la siembra, teniendo como máximo 7 larvas por planta, para luego incrementarse en el estado de grano pastoso hasta la maduración.

En cuanto a adultos de Astillusluteicauda se observa que estos se presentan durante la floración manteniéndose en bajas densidades hasta el estado de grano lechoso; en lo referente a los pulgones estos hacen su aparición sólo al final del ciclo vegetativo, afectando la calidad del producto por las secreciones gomosas de estos insectos. En cuanto a los trips (Frankliniellasp.), los acchus (Epicautasp.), cigarritas (Paratanussp. y Bergalliasp.), hacen su aparición durante la floración a los 95 días después de la siembra para mantenerse constante hasta la maduración.

Basados en lo anterior el estudio del proyecto se basara en plagas y enfermedades más importantes, comunes y de mayor impacto en la planta de Quinua, pero antes de definirlas se debe saber, como cualquier especie vegetal según el ambiente donde se cultive, está expuesta al ataque de enfermedades con mayor o menor intensidad. Por tal motivo se divide el estudio en:  Factores bióticos: Enfermedades, plagas y aves.  Factores abióticos: Sequia, heladas y granizada.

Los factores Bióticos que influyen son:  La enfermedad más importante de la Quinua es el mildiu producida por varios agentes patógenos, resultando en la parte donde ataca pequeñas hifas fungicas (filamentos que constituyen el aparato vegetativo del hongo) sobre la planta.  La plaga más importante en el cultivo para tener cuidado es el TICUCHI o gusano de tierra como se conoce.  También se tendrá en cuenta la presencia de aves, animales causantes de la mayor cantidad de daños que puede sufrir la planta, desde la siembra hasta la maduración.

Los factores Abióticos que influyen son:  Por último es de gran importancia prestar atención a factores como sequía, heladas, y granizadas.

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A continuación se definen cada una de las amenazas de la planta, las consecuencias que dejan, el manejo, control y prevención que se debe tomar ante los ataques de estos.

5.1.4.1. Mildiu

El mildiu es una enfermedad que generalmente ataca a las hojas tomando en ellas una pigmentación amarillenta causada por la falta de clorofila en las plantas, para luego extenderse más y más hasta desecarla por completo.33

El mildiu afecta principalmente al follaje de la planta como se ve en la figura 18, evidenciando al inicio puntitos cloróticos (padece de clorosis) visibles en la cara superior de las hojas, que luego crecen en áreas grande e irregulares. A su vez en la cara inferior de la hoja se recubre de un afelpamiento de color gris constituido por el patógeno.

Figura 18. Síntomas de mildiu.

Fuente: Manejo agronómico del cultivo de Quinua (CALLA Jael) 33

SOLVEIG, Danielsenl y TERESA, ames. CIP, El Centro Internacional de la Papa. «El mildiu de la quinua en la zona andina Manual práctico para el estudio.»

72

En la siguiente ilustracion se muestra la escala de evaluacion de la enfermedad, evidenciando un porcentaje por area afectada.

Figura 19. Escala de evaluación para mildiu, porcentaje de área afectada.

Fuente: Centro Internacional de la Papa (El Centro Internacional de la Papa CIP).  Daños: La enfermedad ataca un porcentaje alto de todas las partes de la planta, hojas, ramas, tallo y panoja. Es de gran importancia tener en cuenta que puede atacar cualquier estado fenológico, especialmente causando daños mayores en plantas jóvenes, afectando así su desarrollo y fructificación.  Prevención y control: Emplear actividades de disminución de la humedad en el campo mediante la distancia entre surcos y orientación respecto al viento.

En casos extremos aplicar sustancias que ayuden a mitigar el impacto.

5.1.4.2. Ticuchi

Una de las plagas más importantes de la Quinua, son las larvas de las mariposas nocturnas (Ticona, ticuchis, o como gusano de tierra) causantes inicialmente de la defoliación de hojas, ruptura de tallos principales e infección de botones florales.  Daños: Se caracterizan por cortar las plantas tiernas y destruir las panojas.

Se debe tener en cuenta que su desarrollo, presencia y distribución por el cultivo es en épocas de verano, logrando causar pérdidas de más del 30% del área cultivada.

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Figura 20. Larva (gusano) que infecta el cultivo.

Fuente: Manejo agronómico del cultivo de Quinua (CALLA Jael).  Prevención y control: Preparar de forma adecuada y oportuna el suelo, revisando periódicamente las plantas para evidenciar si existe la presencia de dicha plaga, si es baja la infestación, se puede recoger manualmente las larvas o capturar con trampas de luz.

Figura 21. Plántula de Quinua con lesiones (A) en las hojas causadas por larvas de mariposas nocturnas

Fuente: El cultivo de Quinua en el altiplano sur de Bolivia departamentos de Oruro y Potosí (Mendoza)34

34

MENDOZA, Salinas de Garcia. «El Cultivo De Quinua En El Altiplano Sur De Bolivia Departamentos De Oruro Y Potosí.» 2008.

74

5.1.4.3. K´Cona K´Cona (Polilla)

Los adultos son polillas de color gris parduzco o amarillo pajizo, mide casi 9mm de longitud, con una expansión alar de 15mm, Se alimenta del néctar de las flores y no causa daño al cultivo de Quinua. Hablando de las larvas, estas son diminutas, con un promedio de tamaño de 0,85mm de color variable amarillo verdoso, marrón.

Figura 22. Polilla K’Cona K’Cona

Fuente: Instituto Interamericano para las ciencias ineteramericacon para las ciencias agricolas CIID)

agrícolas

(Instituto

 Daños: Es la principal plaga del cultivo, causante de perdidas mayores del 50%. Se caracterizan por dos generaciones: la primera de larvas, las cuales minan y pegan las hojas; la segunda, de larvas que consumen y dañan el grano en estado pastoso y maduro.  Prevención y control: Eliminar las plantas hospederas y aplicar biocidas o repelentes.

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5.1.4.4. Aves

Son animales vertebrados de sangre caliente, respiración pulmonar, cuerpo cubierto por plumas, pico córneo sin dentadura y dos alas dispuestas al costado de su cuerpo que normalmente las emplean para volar. Las aves constituyen una de las principales plagas causantes de grandes pérdidas económicas en la producción de Quinua, pues para ellas los granos en estado lechoso, pastoso y maduro son de gran alimentación. Además de consumir granos de la panoja, ocasionan la caída de un gran número de semillas por desgrane.

Figura 23. Invasión de aves en el cultivo.

Fuente: (Instituto Nacional de Innovacion Agraria INIA)  Daños: Atacan en época de siembra y en la fase en que el grano es pastoso y maduro. Sus principales daños son la ruptura o dobles en las panojas, la caída y consumo del grano. Se debe tener en cuenta que el contacto con las aves ocasiona desmejorar la calidad del grano.  Prevención y control: Ubicar espantapájaros y latas a manera de campanas u otras técnicas para asustar las aves o situar águilas disecadas en sitios estratégicos.

5.1.4.5. Heladas

Fenómeno atmosférico producido por el congelamiento del agua por un descenso constante de las temperaturas: Se considera heladas cuando la temperatura del aire, registrada en el abrigo meteorológico es de 0ºC.La Quinua como se ha

76

mencionado en todo el escrito es tolerante a bajas temperaturas, sin embargo, es de igual modo, susceptible en la etapa de floración.

5.1.4.6. Granizada

Esta afecta el cultivo sin importar la etapa fenológica por la cual este pasando, produciendo daños en las hojas, tallos y desgrano panoja. En términos porcentuales puede causarse un 50% de pérdida del área plantada.

Figura 24. Impacto de las heladas y granizadas en los cultivos de Quinua.

Fuente: (Instituto Nacional de Innovacion Agraria INIA)

5.1.4.7. Sequia

Se define como un tiempo seco de larga duración, sin disponibilidad de agua según parámetros habituales de la región geográfica. La causa más habitual de la sequía es la falta de precipitaciones, por lo tanto, no hay suficiente agua para satisfacer necesidades de las plantas como se observa en la figura 25.  Daños: a consecuencia de este problema la raíz, tallo y hojas por su ausencia de agua se han de secar con el tiempo, llegando a provocar la muerte de la planta.

77

 Prevención y control: Aplicar riegos preventivos en periodos de verano o cuando más lo necesiten, ya sea de forma manual o automática mediante sistemas de riego a partir de sensores. Tener en cuenta el clima y suelo de la zona donde se va plantar el cultivo.

Figura 25. Sequía en Cultivos de Quinua.

Fuente: (Instituto ineteramericacon para las ciencias agricolas CIID)

5.1.5. REQUERIMIENTOS AMBIENTALES DEL CULTIVO

La Quínoa es un cultivo muy resistente donde los suelos son pobres, las lluvias escasas y las temperaturas extremas. No obstante, las condiciones más óptimas para el desarrollo de la planta son las siguientes:  Clima: desérticos, calurosos y secos, fríos y secos, templados y lluviosos, calurosos con mayor humedad relativa y zonas cordilleranas de grandes altitudes. Para cada clima existen variedades o ecotipos adecuados.  Suelos: Aunque se adapta bien a diferentes tipos de suelos, es preferible cultivar en terrenos arenosos a arcillosos, con buen drenaje, llanos o con pendientes moderadas, con profundidad media y con una riqueza media de nutrientes.

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 PH: La Quínoa tiene un amplio rango donde puede desarrollarse, sin embargo, los mejores suelos pueden estar comprendidos entre pH 6,0 a 8,5 y una conductividad eléctrica de 12 mhos/cm.  Agua: No tiene grandes requerimientos de lluvias, siendo óptimas precipitaciones entre 300 y 500 mm, con un máximo de 600 a 800 mm, todo gracias a sus mecanismos morfológicos, anatómicos y fenológicos que le permiten tolerar y resistir la falta de humedad del suelo.  Temperatura: La temperatura óptima para el cultivo está aproximadamente de 15 a 20ªC, soportando temperaturas extremas de 38ªC hasta –8°C, en determinadas etapas fenológicas. Sin embargo, se ha observado que con temperaturas medias de 10ºC, se desarrolla perfectamente el cultivo, así mismo ocurre con temperaturas medias y altas de hasta 25ºC.  Heladas: Se dan por temperaturas inferiores a -4°C, especialmente en cultivos a gran altura, con cielos despejados, con ausencia de viento y en las horas de la madrugada La Quínoa puede resistir heladas hasta -5ºC por periodos de 15 o 20 días, excepto en las fases de los primeros 60 días después de la siembra; existen variedades que resisten temperaturas de hasta -8ºC sin sufrir daños.  Sequia: Soporta épocas de sequía prolongada hasta 60 días, excepto en los estados fenológicos de: germinación hasta 4 hojas verdaderas, floración, madurez de estado lechoso Durante estas fases necesita que el suelo mantenga un nivel óptimo de humedad o ligeras lluvias de unos 20 a 40 mm.  Humedad del ambiente: Un exceso de humedad en el ambiente es dañino para el cultivo de quínoa, especialmente en las épocas de: floración, madurez, cosecha. Durante todo el ciclo del cultivo un exceso de humedad combinado con temperaturas elevadas favorece al ataque de hongos productores de podredumbres. La Quinua se adapta a condiciones de humedad relativa desde el 40% en el altiplano hasta el 100% en la costa.  Radiación solar: La Quinua soporta radiaciones extremas en las zonas altas de los andes, sin embargo estas altas radiaciones permiten compensar las horas calor necesarias para cumplir con su periodo vegetativo y productivo.  Fotoperiodo: El fotoperiodismo de la Quinua varía dependiendo de la región, pues las variedades procedentes de la línea ecuatorial son cultivos de días cortos y para su desarrollo necesitan por lo menos unos 15 días mayores a 10 horas de luz para inducir la floración y la maduración de los frutos. Sin embargo, el cultivo de la quínoa prospera adecuadamente con las 12 horas de luz por día del hemisferio sur.

79

 Altitud de cultivo: La Quinua crece y se adapta a zonas desde el nivel del mar hasta los 4000 m.s.n.m. Sin embargo a medida que aumenta la altura, se prolonga su ciclo vegetativo su rango óptimo para el país oscila entre los 1600 y 3400 msnm; siendo entre 2000 y 3000 msnm su rango de mayor uso (clima frío).

5.2. PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL “Se entiende por Plan de Monitoreo Ambiental a las operaciones de observación, muestreo, medición y análisis de variables ambientales, que definen las características del medio o entorno, estableciendo parámetros para el seguimiento de los diferentes componentes ambientales.”35

5.2.1. OBJETIVOS EL PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL  Detectar de manera temprana cualquier efecto no previsto, de modo que sea posible controlar y adoptar medidas apropiadas y oportunas.  Este plan permitirá evaluar periódicamente la dinámica de las variables ambientales, con la finalidad de determinar los cambios que se puedan generar durante el proceso.  Las razones del monitoreo incluyen el descubrimiento de tendencias ambientales, la observación de variaciones a través del tiempo, la realización de comparaciones de tendencias en diferentes etapas de tiempo.  Facilitar información para el mejoramiento en la planeación y diseño de planes de controlar y prevención de impactos ambientales previamente identificados.

A partir de estos objetivos se pretende hacer un seguimiento a variables climatológicas con el fin de ver el efecto que estas causan en el crecimiento y desarrollo de la Quinua. Es por tal razón que se planea registrar en una plantilla la variación que sufre la temperatura, humedad, precipitación, dirección y velocidad del viento durante el día en horas de la mañana, tarde y noche, más exactamente cada 4 horas a las 6:00am, 10:00am, 2:00pm, 6:00pm, 10:00pm y 2:00am.

35

INECC, Instituto Nacional de Ecologia y Cambio Climatico. Monitoreo ambiental Agosto 2007. Disponible en Internet: <http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/105/8.html>.

80

5.3. ESTACIÓN DE MONITOREO AMBIENTAL

Como se sabe el proyecto trata sobre el estudio de la fenología del cultivo de Quinua, es decir, la influencia de los factores climatológicos en el desarrollo de la planta. Motivo por el esta sección trata sobre el estudio de la atmósfera, partiendo principalmente datos meteorológicos precisos. Aunque las observaciones sensoriales como lo son los sentidos (vista y tacto) permiten estimar gran información para el análisis y determinación del clima, en la actualidad se han desarrollado instrumentos que pueden determinar de forma exacta la medición a la variación de variables climatológicas. Por lo tanto el capítulo pretende describir el funcionamiento, instalación y montaje de los instrumentos utilizados en la estación.

5.3.1. DISPOSITIVOS METEOROLÓGICOS

Básicamente la estación que se emplea, construye y diseña, consta de los siguientes instrumentos eléctricos de medición:  Termómetro  Barómetro  Pluviómetro  Anemómetro  Veleta

A continuación en la figura 26, se describen con más detalle el funcionamiento de los instrumentos utilizados, las características técnicas y modo de funcionamiento como operan los sensores, como también su respectiva instalación y montaje en el ensamblaje de la Estación Meteorológica.

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Figura 26. Diagrama funcional de la estación meteorológica

ESTACIÓN METEOROLÓGICA Permite medir y registrar

Variables atmosféricas

Estado de la atmosfera

Temperatura Humedad Presión atmosférica Dirección y velocidad del viento Precipitaciones

Pluviómetro

Medidas por

Veleta, anemómetro, barómetro

Instrumentos

Termómetro Permiten

Observaciones lectura mediciones registros meteorológicos Analizados a través de

Cuadros, gráficos Fuente: (Los Autores)

82

5.3.2. EMPLAZAMIENTO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA “Una estación meteorológica es un área predestinada a la medición y procesamiento de los datos de los distintos fenómenos meteorológicos que se producen en la atmósfera. Por lo cual para estas mediciones, se recurre a una serie de instrumentos, que se encuentran expuestos al aire libre. No obstante para su ubicación este ha de seguir una serie de requisitos o normas.”36

La estación se debe ubicar en lugares cuyo clima sea representativo de las condiciones de la zona. Por lo tal se describen los requisitos de elección del emplazamiento, es decir, el lugar donde está situada la estación y las exigencias que se deben cumplir sobre la exposición de los instrumentos.

Primero, los instrumentos expuestos al contacto con el ambiente exterior deben instalarse en un terreno llano como se ilustra en la figura 27, cubierto de hierba baja; prevenir terrenos montañosos o cercanos a ellos, como también barrancos.

Por otra parte, el Manual de Procedimientos para las Estaciones Meteorológicas37 determina que el emplazamiento debe estar suficientemente alejado de árboles, edificaciones, paredes u otros obstáculos. Tenga se debe tener en cuenta que la distancia permitida entre cualquiera de esos obstáculos y el pluviómetro no debe ser inferior al doble de la altura del objeto. Por último se debe percatar que los instrumentos estén en su ubicación correcta cumpliendo así con un funcionamiento adecuado, pero a pesar de que este correctamente situada, si bien al estar en campo abierto, las medidas de la precipitación serán perturbadas en situaciones atmosféricas de vientos fuertes y racheados.

36

CASTRO FONSECA, Enrique. Departamentos Científico de La Selva y Manejo de Información. «Manual de Procedimientos para las Estaciones Meteorológicas.» 2008.

37 Ibid

83

Figura 27. Lugar del Cultivo de Quinua en Zipaquirรก.

Fuente: (Los Autores) 84

5.3.3. SISTEMA MECÁNICO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA

5.3.3.1. Soporte de la Estación Meteorológica

En esta etapa se diseña y se construye la estructura o soporte de la estación meteorológica que compone los diferentes instrumentos de medición; para esto, como soporte inicial se elabora una base cónica en cemento dando firmeza y estabilidad a la estación.

Figura 28. Base de la estructura de la estación meteorológica.

Fuente: (Los Autores) El esqueleto se basa en dos tubos de acero inoxidable de 1” y ¾” uno dentro del otro con la función de graduar la altura a la que se desea tener la estación mediante un tornillo prisionero y por supuesto dar estabilidad y firmeza. Por último se encuentran los brazos o ramificaciones que sostienen los instrumentos de medición en tubo, uniones, codos en PVC y en material plástico.

Figura 29. Sistema para graduar altura en la estación.

Fuente: (Los Autores)

85

La estación consta de tres componentes mecánicos de medición del tiempo: velocidad del viento, dirección del viento y lluvia, que lo hace mediante un anemómetro, una veleta y un pluviómetro respectivamente, de los cuales se adquirieron las carcasas o armazones que comprenden las estaciones meteorológicas profesionales pce-fws 20. Aunque se hace el ensamblaje de las diferentes partes que componen la estación: anemómetro, pluviómetro, veleta y Shield clima, para este último se diseña una garita artesanal de material plástico con la finalidad de proteger y cubrir la tarjeta Shield de lluvias sin afectar la medición de las variables de las que se encarga.

Figura 30. Prototipo Estación Meteorológica Construida.

Veleta Anemómetro

Pluviómetro

Garita Meteorológica

Sensor de temperatura Sensor de Humedad Sensor de presión barometrica

Fuente: (PCE Instruments)

86

5.3.3.2. Anemómetro

El anemómetro como ya se ha mencionado es el dispositivo capaz de medir la velocidad del viento, aunque existen diversidad de anemómetros, se eligió utilizar un anemómetro de rotación, el cual está dotado de cazoletas o hélices unidas a un eje central cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado convenientemente promedio magnético.

Figura 31. Anemómetro empleado en la Estación.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica (Sparkfun Estacion Meteorologica).

5.3.3.3. Veleta

Es un instrumento capaz de indicar la velocidad del viento. Se basa en un dispositivo giratorio formado por un señalador que indica la dirección del viento y una placa que gira libremente según sopla el viento.

Figura 32. Veleta empleada en la Estación.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica (Sparkfun Estacion Meteorologica).

87

5.3.3.4. Pluviómetro

El pluviómetro mide la cantidad de lluvia caída en una superficie, para esto emplea un balancín de vaciado automático. El agua lluvia que cae es recogida a través de un embudo o superficie cónica que da paso al sistema de balancín de dos cazoletas o compartimientos, con un sistema de escape de agua en la parte inferior del balancín según cambia de posición.

Figura 33.Pluviómetro sistema de balancín empleado en la Estación.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica (Sparkfun Estacion Meteorologica)

5.3.3.5. Garita Meteorológica Artesanal

Para evitar perturbaciones en el registro de los diferentes datos atmosféricos, los meteorólogos recurren a la construcción de contenedores de sus instrumentos. En estos contenedores, denominados coloquialmente "garitas", se ocultan multitud de sensores, es por tal motivo que en base a diseños ya previstos de estos instrumentos se elabora una garita meteorológica artesanal para la protección del Shield Clima y la placa ARDUINO. Para esto se procede a elaborar una garita a base de platos blancos plásticos en forma secuencial perforados en medio a un diámetro prudente para la incorporación de las tarjetas (Shield Clima y ARDUINO).

Aunque es un proceso artesanal y la construcción de este instrumento no es industrial, se tiene la certeza que ha de ser un dispositivo optimo, confiable y seguro para las respectivas mediciones, empleado ya en diferentes estaciones profesionales.

88

En la siguiente figura se observa la construcciรณn del de prototipo de garita que fue ensamblada.

Figura 34. Construcciรณn de la Garita meteorolรณgica Artesanal.

Fuente: (Los Autores).

En la siguiente imagen se muestra el prototipo de la garita que fue elaborada y ensamblada, para la protecciรณn y cubrimiento de los instrumentos.

Figura 35. Garita meteorolรณgica Artesanal.

Fuente: (Los Autores)

89

5.3.3.6. Gabinete para PC

Se pretende elaborar un gabinete, para la protección del computador en ambientes externos, en este caso es diseñado y elaborado para situar y proteger el computador que se ha de emplear, para la defensa de impactos o fenómenos ambientales a los que estará expuesto. En el siguiente capítulo se explicara el uso del ordenador (PC) para la instalación y programación en el diferente software a utilizar en el proyecto.

Dicho gabinete se caracteriza por ser construido en lámina de acrílico de calibre 2 mm con dimisiones apto para el tamaño del PC, con la especialidad de sellarse en casos que se desee. Adicionalmente la caja posee una parte en madera en forma de maletín, cierre a presión y soportes para fijarla en la estructura de la estación.

En los anexos se encuentran los planos del gabinete.

Figura 36. Gabinete para PC para entorno industrial.

Fuente: (Los Autores)

90

5.3.4. INSTALACIÓN DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA

En este capítulo se explica el ensamblaje, instalación y montaje de la estación basados en manuales de instrucciones de uso de estaciones meteorológicas profesionales pce-fws 20comercializadas por la empresa PCE Instruments.

Figura 37. Guía de montaje de anemómetro y veleta en la Estación.

Fuente: (PCE Instruments)

91

Figura 38. Gu铆a de instalaci贸n del pluvi贸metro y garita para Shield Clima y ARDUINO.

Fuente: (PCE Instruments)

92

La siguiente figura muestra la estación con sus respectivos instrumentos de medida ensamblados.

Figura 39. Estación meteorológica físicamente ensamblada

Fuente: (Los Autores)

5.3.5. SISTEMA ELECTRÓNICO DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA

Antes de explicar el proceso, se sabe que un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que sea capaz de cuantificar y manipular.

93

Debido a lo anterior las variables que se medirán con ayuda de los instrumentos en la Estación Meteoróloga son:  Temperatura: máxima y mínima.  Humedad relativa: máxima y mínima.  Viento: dirección y velocidad.  Presión barométrica  Altitud  Precipitación: cantidad diaria, semanal y total.

5.3.5.1. Arduino UNO “Arduino es una plataforma de hardware de código abierto, basada en una placa con I/O entradas y salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiring. Gracias a sus beneficios se emplea la placa Arduino UNO como sistema de adquisición de datos para la lectura de los diferentes sensores que se han de utilizar, sin embargo, esto no sería posible sin su software externo (Arduino IDE), programa empleado para la escritura de algoritmos que reciban y manipulen la información otorgada por los sensores para la conversión en magnitudes física, interpretables para el usuario.”38

Basados en la información con la que cuenta la página oficial de dicho dispositivo ARDUINO39, la placa cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida, de los cuales 6 pueden utilizarse para salidas PWM, así mismo posee igualmente 6 entradas analógicas, de las cuales proporcionan 10 bits de resolución (es decir, 1.024 valores diferentes) cada uno. También posee una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador.

El Arduino Uno puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa, funcionando con un suministro externo de 6 a 20 voltios.

38 39

ARDUINO. Disponible en Internet: <http://www.arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/ArduinoBoardUno>.

Ibid

94

Especificaciones de la ficha técnica de la placa Arduino UNO ya mencionado.  Microcontroladores ATmega328  Tensión De Funcionamiento 5V  Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V  Digital pines I / O 14 (de las cuales 6 proporcionan salida PWM)  Pines de entrada analógica 6  Corriente DC por Pin I / O 40 mA  Corriente DC de 3.3V Pin 50 mA  Memoria Flash 32 KB ( ATmega328 ) de los cuales 0,5 KB  SRAM 2 KB ( ATmega328 )  EEPROM 1 KB ( ATmega328 )  Velocidad De Reloj 16 MHz  Longitud 68,6 mm  Ancho 53,4 mm

Figura 40. Placa ARDUINO UNO.

Fuente: Open Source (Arduino).

5.3.5.2. Shield Clima

Para la medición de las variables anteriormente mencionadas se utiliza y se aprovecha los sensores que componen el Shield clima.

El shield clima es una tarjeta independiente que permite realizar el monitoreo de presión barométrica, humedad relativa y temperatura además cuenta con conexiones listas para sensores opcionales como: anemómetro, veleta,

95

pluviómetro y un módulo de localización GPS compatible y diseñado para Arduino.

Este shield integra los sensores HTUD21D para medir temperatura y humedad, el MPL3115A2 para la presión barométrica y ALS-PT19 para luz. Cada shield cuenta con espacio para dos conectores RJ11 (opcionales para los sensores de viento y lluvia) Este shield puede operar dentro de un voltaje de 3.3 a 16 VDC ya que cuenta con reguladores internos y transductores de señal, es sin duda un shield versátil, seguro y fácil de usar totalmente compatible y diseñado para ARDUINO. 40

Figura 41. Weather Shield Sparkfun.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica

Especificaciones de la ficha técnica del shield ya mencionado.  HTU21D sensor de humedad  Sensor de presión barométrica MPL3115A2  Sensor de luz ALS-PT19  Dispone de conector para el módulo GPS compacto GP-635T  2 Conectores RJ11 para el anemómetro y pluviómetro.  Adicionalmente capaz de medir Altitud y latitud.

40

SPARKFUN. Estación Meteorológica.

2015.

Disponible en https://learn.sparkfun.com/tutorials/weather-station-wirelessly-connected-to-wunderground

96

Internet:

 Diseñado y compatible para ARDUINO  Escudo tiempo puede operar desde 3V a 10V  Precisión la humedad típica de ± 2%  Precisión de la presión típica de ± 50 Pa  Precisión de la temperatura típica de ± 0.3c

A continuación se describen las características, especificaciones y modo de funcionamiento de los sensores que componen la estación meteorológica Shield clima de SPARKFUN41, encargados de interactuar y convertir las señales físicas que serán medidas (temperatura, humedad, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, precipitación) en señales eléctricas de corriente o voltaje que puedan ser medidas, transmitidas y amplificadas en valores cuantificables para su posterior registro y representación.

5.3.5.3. Sensor de temperatura y humedad HTU21D

Es un sensor de bajo costo, fácil de usar y de alta precisión que permite realizar mediciones de temperatura y humedad con las siguientes características:     

Protocolo I2C. Precisión de humedad típica ± 2%.

Precisión de temperatura típica ± 0.3 °C. Rango de medición de temperatura: -40°C a 125°C. Rango de medición de humedad: 0 a 100% (no en contacto con el agua).

Figura 42. Sensor de temperatura y humedad HTU21D.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica

41

SPARKFUN. Estación Meteorológica.

2015.

Disponible en https://learn.sparkfun.com/tutorials/weather-station-wirelessly-connected-to-wunderground

97

Internet:

5.3.5.4. Sensor de presión barométrica MPL3115A2

Es un sensor de bajo costo para la medición precisa de la presión barométrica y la altitud. Tiene una resolución típica de 1.5 Pascales equivalentes en altura a 0,3m.

Adicionalmente permite realizar mediciones de temperatura con una precisión de 3°C. Finalmente posee las siguientes características:    

Protocolo I2C. Precisión de la presión típica ± 0.05kPa. Exactitud altitud típica 0,3m ±.

Precisión de la temperatura ± 3°C.

Figura 43. Sensor de presión barométrica MPL3115A2.

.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica

5.3.5.5. Reed Switch en el anemómetro, veleta y pluviómetro

El interruptor o sensor es un pequeño bulbo de vidrio con dos contactos que se atraen en presencia de un campo magnético (el imán).

Figura 44. Reed Switch.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica (Sparkfun Estacion Meteorologica).

98

Como su nombre lo indica el reed switch es un interruptor con la peculiaridad de ser activado en presencia de un campo magnético. Dependiendo el tipo ya se NO o NC este se cerrara o abrirá, cuando es normal abierto los contactos se cierran en la presencia del campo, pero cuando es normal cerrado se abren en presencia de un campo magnético.

Figura 45. Funcionamiento Reed Switch.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica

Basados en lo anterior se comprobó físicamente el uso de este elemento en el interior del anemómetro, veleta y pluviómetro, evidenciando también el uso del imán de activación, en una hélice del anemómetro, en la aleta de la veleta y en el balancín del pluviómetro.  El anemómetro codifica la velocidad del viento con sólo cerrar el interruptor por cada giro de la hélice. A una velocidad de 1.492 MPH del viento se produce un cierre del interruptor una vez por segundo.  En el pluviómetro el Reed Switch se activaran con cada movimiento del balancín por cada 0.011"de lluvia que se recoge.  Finalmente, la veleta informa la dirección del viento como una tensión que se produce por la combinación de resistencias en el interior del sensor; el imán de la aleta puede cerrar dos interruptores a la vez, lo que permite hasta 16 diferentes posiciones.

Sin embargo, según lo anterior para poder emplear este elemento en la estación en los diferentes instrumentos de medición (anemómetro, veleta y pluviómetro) se hace uso del software de ARDUINO, para la elaboración de pequeños algoritmos que interpretaran los pulsos generados por cada dispositivo.

99

Como se ha venido mencionado en el capítulo el Shield Clima es diseñado para ARDUINO, basado en esta afirmación se muestra en la siguiente figura el circuito esquemático electrónico de la conexión del shield y los sensores ya mencionados a la tarjeta ARDUINO.

Figura 46. Esquemático electrónico Shield Clima y ARDUINO.

Fuente: Sparkfun Estación Meteorológica (Sparkfun Estacion Meteorologica).

100

Finalmente físicamente el cableado para la conexión de los sensores que componen el anemómetro, veleta, pluviómetro, shield Clima y ARDUINO, se muestra en la siguiente figura, donde se observa que primero el cableRJ11 de la veleta estará conectado al anemómetro el cual transmite los datos de velocidad y dirección del viento al Shield clima por medio de un cable conectado a una de las entradas RJ11 del Shield. Por otra parte de igual manera el pluviómetro mediante el cable par trenzado transmite sus datos alShield clima conectado en la siguiente entrada RJ11 que este tiene. Y Por último el Shield Clima estará conectado al ARDUINO para la transmisión de datos al PC vía USB que se ha de utilizar; como se explicó anteriormente el Shield incluye sensores de presión barométrica, humedad y temperatura

Figura 47. Conexión física entre veleta, anemómetro, pluviómetro y shield Clima.

Fuente: (PCE Instruments)

Como se mencionó antes, se hará uso de un computador para el uso e instalación del software de programación ARDUINO IDE y MATLAB que se han de utilizar para la programación de la estación y el mecanismo móvil, como también Microsoft Excel 2010 para generar los reportes mensuales.

Partiendo de esto se decidió utilizar un PC portátil marca HP modelo Portátil HP 1000-1324LA con características como:  Procesador Intel Core i5 3230M @ 2.6 GhZ  Disco Duro 750 GB  Pantalla HD LED 14"  1 Puerto VGA  3 Puertos USB 2.0  Cámara web HD HP True Vision 101

 Memoria RAM DDR3 4 GB  Unidad DVD RW Multiformato  Gráficos Intel HD 4000  1 Puerto HDMI  Red Wireless 802.11b/g/n  Lector de tarjetas SD  Batería Li-ion de 6 celdas 47 WHr

Figura 48. Computador portátil HP modelo HP 1000-1324LA.

Fuente: Casa matriz de Hewlett Packard (HP).

5.3.6. SISTEMA DE ADQUISICIÓN METEOROLÓGICA

DE

DATOS

DE

LA

ESTACIÓN

En esta sección se explicara brevemente el funcionamiento del código. Sin embargo en los anexos se puede encontrar el algoritmo que se diseñó y se empleó en el proyecto para el funcionamiento de la Estación Meteorológica, describiendo parte a parte el algoritmo.

Como se mencionó antes un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud física del exterior y transformarla en una magnitud eléctrica, para luego cuantificar y manipular, para luego enviar a sistemas que permiten controlar y monitorear variables en un proceso, conocidos comúnmente como sistemas de adquisición de datos.

102

A partir de esto las etapas que componen los sistemas de adquisición son:  Captura de señales: Determinar las variables del proceso que contienen la información requerida para el análisis y el tipo de transductores adecuados.  Circuito de acondicionamiento: Convertir las variables físicas en señales eléctricas.  Digitalización y comunicación con el PC: Una vez las señales adquiridas son eléctricas, se cuantifican y se les convierte en un código digital equivalente para ser enviadas a un ordenador mediante un protocolo de comunicación.  Software de adquisición y manipulación de los datos: Consiste en la uso de un software especializado, para el procesamiento de datos equivalentes a variables registradas para su manipulación. Por último mediante el software la señal eléctrica recibida ha de ser convertida e interpretada en términos de magnitudes físicas entendible para el usuario.

Figura 49.Etapas de adquisición de datos.

Captura de señales

Circuito de acondicionamiento

Software de adquisición y manipulación de los datos

Digitalización y comunicación con el PC

Fuente: (Los Autores)

Entrando en más detalle la Estación meteorológica funciona basada en el principio explicado anteriormente. Donde por medio de los sensores o instrumentos de medición de la estación se adquiere una señal eléctrica según la magnitud física, pasando por un circuito de acondicionamiento en él la tarjeta Shield Clima, para luego mediante ARDUINO UNO digitalizar y comunicar vía USB al PC, en el cual con ayuda del software ARDUINO se genera un algoritmo para la adquisición y manipulación de las variables. Sin embargo esto no lo es todo, pues gracias a la adquisición de datos obtenida el algoritmo es capaz de cuantificar e interpretar las señales eléctricas en magnitudes físicas de:  Temperatura: máxima y mínima, en grados Centígrados.  Humedad relativa: máxima y mínima, en porcentaje.

103

 Velocidad del viento en mph.  Presión barométrica en hPa.  Altitud en metros sobre el nivel del mar msnm.  Precipitación en milimetros por metro2.  Dirección del viento en grados, para lo cual se ha de interpretar como lo muestra la siguiente figura, dependiendo la dirección en grados que indique la veleta.

Figura 50. Interpretación de rosa de los vientos.

Fuente: (PCE Instruments)

Por último el proyecto plantea una interfaz gráfica para la interacción con el usuario, donde se podrá visualizar las mediciones de los sensores que componen la estación Meteorología en tiempo real, realizada en el software matemático MATLAB.

104

Y finalmente la aplicación tiene la opción de generar reportes diarios y mensuales de las mediciones obtenidas, generando así graficas de tendencia de cada una de las variables.

Figura 51. Descomposición funcional del sistema de adquisición de datos.

Dirección del Viento

Veleta

Velocidad del Viento

Anemómetro

Precipitación

Pluviómetro Shield Clima SPARKFUN

Temperatura

ARDUINO

MATLAB (GUI)

Sensor HTUD21D

Humedad

Presión

barométrica Altitud

Sensor MPL3115A2

Variables a medir

Captura de señales

Circuito de acondicionamie nto

Software de adquisición y manipulación de los datos

Digitalización y comunicación con el PC

Fuente: (Los Autores)

5.3.6.1. Algoritmo en ARDUINO de la estación meteorológica

El algoritmo empleado se puede evidenciar en los anexos; en este se emplean las librerías de los sensores para la lectura de las señales eléctricas enviadas por 105

algunos instrumentos de medida, seguido de esto se desarrollan pequeños algoritmos para interpretar las señales eléctricas en magnitudes físicas entendibles para el usuario gracias al uso del software ARDUINO. Cabe señalar que se utilizan rutinas de interrupción con el fin de dar prioridad o prelación a los dispositivos.

A continuación se describe los algoritmos empleados para la interpretación de mediciones de los diferentes sensores:  Sensor de presión barométrica MPL3115A2 y sensor HTU21D de humedad: Se usa la librería de los respectivos sensores, que mediante algoritmos ya establecidos interpreta las señales eléctricas en magnitudes físicas de presión, altitud, temperatura y humedad, mediante funciones predefinidas, para luego ser leídos, impresos y enviados para la próxima manipulación en MATLAB.  Veleta: Mediante un cambio de tensión que se produce por la combinación de resistencias en el interior del sensor; el imán de la aleta cierra dos interruptores a la vez, lo que permite 16 diferentes posiciones. Por ende, se elabora un algoritmo para leer la entrada análoga correspondiente a las medidas de la veleta, donde mediante cambios de tensión se linealiza el sensor, obteniendo los grados de inclinación de la dirección del viento.  Anemómetro: Cada giro en la hélice genera un pulso, el cual al ser leído en el software, se empleara la función “millis” encargada de contabilizar el tiempo que demora en dar una vuelta, por lo cual mediante una ecuación se convierte el tiempo en velocidad de giro, pues se sabe que a una velocidad de 1.492 MPH del viento se produce un cierre del interruptor una vez por segundo.  Pluviómetro: Cada pulso generado por el balancín, será registrado por un pin digital del ARDUINO, el cual es leído en el software e interpretado como 0.11” de agua lluvia, que será sumado sucesivamente cada que exista un movimiento del balancín.

Como se sabe ARDUINO es una plataforma de hardware y software de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, capaz de leer y controlar diferentes actuadores, todo gracias a un microcontrolador o circuito integrado, un elemento competente de ejecutar ordenes que fueron grabadas en su memoria mediante procesos definidos en la programación.

106

Partiendo de lo anterior el algoritmo elaborado en el software de apoyo de ARDUINO es previamente grabado en la tarjeta para su debida ejecución y puesta en marcha del proyecto.

5.3.6.2. Algoritmo en MATLAB de la estación meteorológica

El algoritmo empleado se puede evidenciar en los anexos; en este se genera un código con la finalidad de monitorear, registrar y visualizar las mediciones en tiempo real, para su debido análisis. Cabe señalar que se toma un tiempo de muestreo por segundo de las mediciones, para un registro de datos cada 8 horas durante el día. Los pasos que se siguen en el código son:  Abrir el puerto COM que está conectado la tarjeta de ARDUINO, para la debida conexión e interacción de esta y MATLAB.  Lectura de los sensores del Shield Clima mediante la función “fscanf”.  Almacenamiento de datos en vectores o matrices.  Manipulación de los datos desde MATLAB. Luego de almacenar los datos hallar:  Temperatura máxima, mínima y promedio  Humedad máxima, mínima y promedio  Velocidad del viento máxima y mínima.  La moda de la dirección del viento es decir el valor que más se repite en el vector.  La presión barométrica mediante el promedio de valores almacenados.  Altitud mediante el promedio de valores almacenados.  La suma de la precipitación diaria, semanal y mensual.  Visualización de las mediciones en la interfaz gráfica de usuario explicada a continuación.  Exportar datos a EXCEL.

107

5.3.6.3. Interfaz (GUI) de la estación meteorológica

Se genera una aplicación en MATLAB que permite al usuario visualizar en tiempo real las mediciones de los diferentes dispositivos que ya se conocen que componen la estación. Como se puede evidenciar en la siguiente figura la interfaz diseñada es agradable al usuario y fácil de interpretar; esta fue totalmente diseñada y programada gracias a la aplicación GUIDEque posee el software MATLAB.

Figura 52. Interfaz de usuario GUI diseñada en MATLAB.

Fuente: (Los Autores)

Sin embargo, antes de tomar la decisión de establecer como interfaz de usuario la mostrada anteriormente en la figura, durante el proceso de desarrollo del proyecto se realizaron diferentes versiones de prueba hasta llegar con la deseada.

108

En la siguiente figura se exponen las diferentes versiones como fueron evolucionando.

Figura 53. Versiones de prueba de interfaz de usuario GUI.

Fuente: (Los Autores)

.

109

Finalmente como se mencionó anteriormente la aplicación diseñada será capaz de realizar reportes mensuales de mediciones diarias mediante la exportación de datos a EXCEL, donde se realiza su previo registro y análisis mediante gráficas del comportamiento de las pantas de Quinua.

Tabla 5. Tabla de registro de mediciones de la estación.

Fuente: (Los Autores).

110

Aun así, durante el proceso de elaboración se hicieron diferentes diseños y cambios en la tabla, dependiendo las necesidades que poco a poco aparecían en la ejecución del proyecto.

Tabla 6.Primera tabla de registro de mediciones.

Fuente: (Los Autores).

111

5.4. MECANISMO MÓVIL (HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN)

Este aparto describe el funcionamiento, partes y diseños que fueron realizados para lograr la meta de construir e implementar el mecanismo móvil para el recorrido del cultivo, dividiendo el estudio en sistema mecánico, eléctrico y programación.

5.4.1. ESTRUCTURA PARA EL DESPLAZAMIENTO

Para lograr el desplazamiento del mecanismo, se inició con la idea de implementar una serie de rieles en el cual este pudiese desplazarse; con el tiempo como fue evolucionando la investigación surgieron nuevas ideas como la de implementar un sistema aéreo, conformado por guayas para el recorrido del mecanismo. Sin embargo, esto no lo es todo, pues la investigación trata de observar y seguir paso a paso el crecimiento de la planta. Es por tal motivo que se realiza un sistema para graduar la altura de toma de fotografías de la planta.

Los prototipos se realizaron en SolidWorks un software de diseño CAD en 3D, en el cual se elaboró el bosquejo y planos estructurales para los prototipos, en el que se elaboraron los esquemas de dos sistemas estructurales para el desplazamiento del mecanismo. El primero es un sistema de carriles hechos en ángulos de acero de 1/8”x5/32” suspendidos en una serie de “pie de amigo” de 8”x10”, anclados a una estructura de tubería cuadrada de ½” en forma de escalones con la función de graduar mensualmente la altura del mecanismo. Con más detalle en la siguiente figura se muestra el mecanismo.

Figura 54. Primer prototipo estructural para el mecanismo móvil.

Fuente: (Los Autores).

112

En la siguiente figura se muestra la estructura realizada, observando el segundo sistema diseñado en el software CAD. Este sistema comprende tres guayas de 5/32” unidas a sus extremos por dos soportes hechos en tubería cuadrada de ½”, como también dos guayas tensoras para dar estabilidad y rigidez a la estructura.

Finalmente en el medio de los soportes hay una serie de tubos en forma de escalera, con la función de graduar mensualmente la altura de las guayas que guiaran y donde se desplazara el mecanismo.

Figura 55. Estructura para el desplazamiento del mecanismo.

Fuente: (Los Autores)

En la figura 55 se observa el mecanismo físicamente construido y ubicado en los surcos de muestra de un cultivo de Quinua. En la primera imagen se muestra los soportes en tubería cuadrada, en la segunda las guayas para tensar y dar estabilidad a los soportes, en la tercera la caja que contiene el tablero de control y potencia del mecanismo y por último se visualiza la estructura completa con sus guayas de guía para el movimiento del mecanismo como se aprecia en la figura 56.

113

Figura 56. A) Soportes en tubería cuadrada, B) Guayas tensoras, C) Mecanismo móvil sobre guayas, D) Estructura completa con sus guayas de guía.

A) Soporte de la esctructura

B) Guayas para tensar

C) Mecanismo movil

D) Estructura completa con sus guayas de guía Fuente: (Los Autores)

114

5.4.2. SISTEMA MECÁNICO DEL MECANISMO

Antes de explicar el mecanismo, en los anexos se pueden encontrar los planos de todas las partes mecánicas y la estructura anteriormente descrita. Para el bosquejo y fabricación de un mecanismo móvil se tienen en cuenta algunos pilares de diseño que determinan su construcción. Los criterios iníciales de diseño evaluados para el desarrollo del mecanismo móvil fueron los siguientes:  Un mecanismo móvil con cuatro ruedas de tracción que le brindan estabilidad en su desplazamiento.  Se evaluó un diseño compuesto por un sistema de tracción por orugas, que ofrece versatilidad y rendimiento en diferentes tipos de terrenos. Aunque es un tipo de configuración altamente empleado en vehículos de exploración, no se implementó debido a la cantidad de articulaciones y los parámetros de control requeridos para la implementación en el software, y el objetivo de este trabajo es realizar un mecanismo compacto y funcional que cumpla una labor determinada.

5.4.2.1. Diseño de la locomoción

Luego de evaluar las características y el entorno sobre el cual se desplazará el mecanismo se optó por construir un mecanismo por cuatro ruedas ya que se tendrá un terreno de desplazamiento controlado y no habrá obstáculos sobre la pista sobre la cual se desplazará el mecanismo.

Chasis: El chasis del mecanismo es la parte que no tiene contacto directo con la superficie de movimiento; en él se instalarán los componentes mecánicos (motores, ruedas, suspensión, sensores, circuitos); por lo que se hace fundamental tener en cuenta que la forma más directa de reducir el consumo de energía del mecanismo, es disminuir su peso.

El material que se ha escogido para realizar la construcción del chasis ha sido aluminio, ya que es un material que proporciona el balance necesario de propiedades mecánicas y la relación que ofrece de peso-eficiencia; algunas de las características que se tuvieron en cuenta para la elección de este material:  Material ligero, altamente estable y magnéticamente neutro.

115

 Absorbe los impactos mediante la deformación.  Es resistente a la corrosión y es auto-protector.  Es resistente a las oscilaciones extremas de temperatura.

Figura 57. Modelo del chasís.

Fuente: (Los Autores).

Ruedas: El mecanismo emplea locomoción por ruedas debido a que son más eficientes, fáciles de implementar y de controlar. Dentro de las consideraciones de diseño se optó por un juego de ruedas que le dan al mecanismo una altura suficiente para esquivar obstáculos si en algún momento los hubiera, el material de fabricación de las ruedas es duraluminio debido a que ofrece una elevada resistencia mecánica, es resistente a la corrosión, poca resistencia a la abrasión, por lo que se hace ideal para usar en un ambiente al aire libre.

Figura 58. Ruedas del sistema de tracción.

Fuente: (Los Autores)

116

Las medidas de las ruedas son: diámetro externo de 50mm y un espesor: 35mm.

Este dimensionamiento se escogió teniendo en cuenta una relación de velocidad, distancia de desplazamiento y un espesor menor de las ruedas para reducir la fricción con la superficie.

El diseño final de la locomoción es como se muestra a continuación en la figura.

Figura 59. Mecanismo móvil.

Fuente: (Los Autores).

Motor: Es la base del diseño mecánico, por lo que se suponen algunos valores para continuar con el proceso de diseño. La buena elección del motor puede ahorrar trabajo y esfuerzo, por lo se deben considerar ciertos parámetros eléctricos de escogencia como inercia, par, velocidad, voltaje y corriente de funcionamiento. Para calcular la potencia del motor se debe determinar el peso total del mecanismo. Los cálculos se presentan a continuación y se consideran la distribución de todos los elementos:

Tabla 7. Indicador de masa total mecanismo.

ELEMENTO Ruedas Chasis Cámara Motor Accesorios estructura Masa Total Mecanismo Fuente: (Los Autores).

MASA 0,8kg (4 ruedas) 0,4kg 0,2kg 0,3kg 0,6kg 2,3kg

117

El valor aproximado de la masa del mecanismo es de 2.3kg, sin embargo como consideraciĂłn de diseĂąo y para evitar esfuerzos del motor se adiciona un 10% a ese valor como factor de seguridad, lo que nos da un valor de masa de: 2.3kg + 10%= 2,53kg aproximadamente.

Como el mecanismo posee 4 ruedas para su desplazamiento, es un sistema de 4 puntos de apoyo equivalente a ejercer una fuerza de Âź veces la masa total en los apoyos, que multiplicado por la gravedad (9,8m/s²) da el peso total que debe soportar el mecanismo como se muestra en la ecuaciĂłn 1. đ?&#x2018;ž = đ?&#x2019;&#x17D; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2019;&#x2C6; (EcuaciĂłn 1)

Reemplazando los valores: đ?&#x2018;ž = đ?&#x;?, đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x2018;đ?&#x2019;&#x152;đ?&#x2019;&#x2C6; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x;&#x2014;, đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2019;&#x17D;/đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x;? đ?&#x2018;&#x160; = 24,794đ?&#x2018;

Este valor es el peso total que ejerce el mecanismo al centro de masa del mismo y es uno de los valores inĂ­ciales a tener en cuenta para la selecciĂłn del torque del motor; el siguiente valor es el valor de la fuerza de rozamiento (ecuaciĂłn 2):

đ?&#x2018;­đ?&#x2019;&#x2021; = đ?? đ?&#x2019;&#x201D; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;ľđ?&#x2019;&#x201C;(EcuaciĂłn 2) Donde Ff es la fuerza de rozamiento estĂĄtica. Âľs es el coeficiente de fricciĂłn estĂĄtico.

Nr es la normal.

Siendo el coeficiente de fricciĂłn estĂĄtico Âľs (aluminio-acero) = 0.61, se tiene: đ?&#x2018;­đ?&#x2019;&#x2021; = đ?&#x;&#x17D;, đ?&#x;&#x201D;đ?&#x;? â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x2019;, đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x2018;ľ đ??šđ?&#x2018;&#x201C; = 15,124đ?&#x2018; Este valor es la fuerza de fricciĂłn que tiene que vencer el motor.

118

Ahora el torque requerido para vencer la fuerza de fricciĂłn estĂĄ dado por la ecuaciĂłn 3: đ?&#x2018;ť = đ?&#x2018;­đ?&#x2019;&#x2021; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2019;&#x2026;(EcuaciĂłn 3) En donde d, corresponde al radio de acciĂłn de la fuerza, es decir el radio de la rueda seleccionada para el mecanismo, por consiguiente al reemplazar los valores se obtiene: đ?&#x2018;&#x2021; = 15,124đ?&#x2018; â&#x2C6;&#x2014; 0,05đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x2021; = 0,756đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x161; 5.4.2.2. SelecciĂłn del motor

Para el sistema de tracciĂłn del mecanismo se seleccionĂł un motorreductor, que es la uniĂłn de un motor DC y un sistema de engranajes, que produce una menor velocidad de giro, mĂĄs una ganancia de torque de rotaciĂłn. El motorreductor que se ha seleccionado es de bajo peso, tamaĂąo reducido, bajo rozamiento y una reducciĂłn grande para elevar grandes cargas.

El reductor escogido es el que se muestra en la figura, el cual cumple con los requerimientos de diseĂąo de la aplicaciĂłn, para el mecanismo no existe una relaciĂłn de transmisiĂłn de potencia, la rueda estĂĄ directamente acoplada al motor.

Figura 60. Motorreductor 12Vdc, 5A.

Fuente: PĂĄgina Oficial de (DynamoElectronics).

119

Tabla 8. Datos de placa motor.

DATOS NOMINALES Voltaje RelaciĂłn de ReducciĂłn Corriente Nominal Torque Masa Rendimiento Velocidad

DESCRIPCIĂ&#x201C;N 12Vdc 50:1 300mA 1,17Nm 207gr 0,84 200RPM

Fuente: PĂĄgina Oficial de (DynamoElectronics).

La potencia de transmisiĂłn para motores estĂĄ dada por la ecuaciĂłn 4 đ?&#x2018;ˇ = đ?&#x2018;˝ â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;­(EcuaciĂłn4) En la cual P es potencia.

Fes la fuerza que se ejerce para mover la carga.

V es la velocidad lineal expresada en m/s.

El torque que se requiere para vencer la fuerza de fricciĂłn es de 0,756Nm segĂşn lo calculado anteriormente, y el torque entrega el motor es de 1.17Nm y una velocidad de 200 rpm, el radio de las ruedas es de 0.05m; entonces su perĂ­metro diferencial se da por la ecuaciĂłn 5: đ???đ??&#x17E;đ??Ť = đ?&#x;?đ?&#x203A;&#x2018; â&#x2C6;&#x2014; đ??Ť(EcuaciĂłn 5) Remplazando se tiene: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x; = 2đ?&#x153;&#x2039; â&#x2C6;&#x2014; (0,05) đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x; = 0,31đ?&#x2018;&#x161;/đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ł En tĂŠrminos de velocidad: đ?&#x2018;&#x2030; = (200

đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ł đ?&#x2018;&#x161; 1đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; ) â&#x2C6;&#x2014; (0,31 )â&#x2C6;&#x2014;( ) đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ł 60đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x201D; đ?&#x2018;&#x2030; = 1,03đ?&#x2018;&#x161;/đ?&#x2018;

120

La Fuerza total que debe ejercer el mecanismo es de 15.124N, reemplazando los valores se obtiene: đ?&#x2018;&#x192;=

1,03đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2014; 15,124đ?&#x2018; đ?&#x2018;

đ?&#x2018;&#x192; = 15,628đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;

Haciendo la conversiĂłn a caballos de potencia: đ?&#x2018;&#x192; = 15,628đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018; â&#x2C6;&#x2014;

1 đ??ťđ?&#x2018;&#x192; 746 đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;

đ?&#x2018;&#x192; = 0,0209đ??ťđ?&#x2018;&#x192;

5.4.2.3. SelecciĂłn de la cĂĄmara

Adicionalmente el mecanismo posee una CĂĄmara Digital Sony CyberShot DSCW560 de 14.1 MP Zoom 4X PanorĂĄmica LCD 3.0 REF: DSC-W560, para la toma de fotografĂ­as del cultivo.

Figura 61. CĂĄmara Sony 14.1 MP.

Fuente: PĂĄgina Oficial (SONY).

Principales CaracterĂ­sticas: ď ś Zoom Ăłptico: 4x Zoom Digital: 8x ď ś Tipo: Carl Zeiss 4 x zoom lens- 4,7-18,8 mm - f / 2.7 - 5.7 ď ś Distancia focal equivalente a una cĂĄmara de 35mm:26 - 105 mm ď ś Rango de enfoque macro:1.6 in ď ś Tipo:2,7 "pantalla LCD ď ś Modos de flash: Modo suplente, sincronizaciĂłn lenta, modo automĂĄtico, modo de flash apagado, reducciĂłn del efecto de ojos rojos 121

5.4.3. SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DE LA CÁMARA

En el accionamiento de la cámara, como esta es digital es necesario activar mediante un mecanismo el botón o gatillo que permite realizar la fotografía, por lo cual se pensó en un mecanismo sencillo de leva, convirtiendo el movimiento circular de un motorreductor, en un movimiento lineal, para ejercer presión y obturar la cámara.

Figura 62. Movimiento de una leva.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

Según la figura 63 que muestra las partes de la leva, esta fue diseñada y construida con dimensiones de: diámetro del círculo base de 1cm y longitud de alzada de 2mm, distancia que recorre el obturador de la cámara.

Figura 63. Partes de la leva.

Fuente: Mecanismos de transmisión de movimiento (Aprendamos tecnología).

122

5.4.4. SISTEMA ELECTRÓNICO

Para realizar el control de desplazamiento del mecanismo se emplea un controlador lógico programable (PLC), en el cual se realiza la programación de activación del mecanismo. De forma sencilla, el programa tiene la capacidad de controlar el movimiento y tiempo de recorrido del mecanismo. Es de recordar que el mecanismo hará la toma de fotografías en las horas 6:00am, 10:00am, 2:00pm, 6:00pm, 10:00pm y 2:00am.

En más detalle se hace uso de un PLC Siemens Logo, con especificaciones:

Figura 64. Ficha técnica PLC Siemens Logo 12/24 RC.

Fuente: Support. Automation (SIEMENS).

123

En la figura 65 se puede observar la foto del tablero eléctrico de control y potencia de la herramienta móvil, como también los planos eléctricos.

Figura 65. Tablero eléctrico de la herramienta móvil para la toma de fotografías.

Fuente: (Los Autores)

5.4.5. PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MECANISMO

Como se menciona anteriormente el mecanismo es programado por un PLC Siemens, gracias al software de programación que este posee. En este se desarrolla mediante un lenguaje de bloques el control del movimiento que ha de ejecutar el mecanismo, el cual se un movimiento lineal sobre las gayas de guía.

Como el movimiento del mecanismo es de ida y vuelta, básicamente el programa acciona el motor para ir hacia adelante, una vez llega al límite del riel, acciona un final de carrera el cual da la orden de invertir el giro del motor para retroceder el mecanismo. Finalmente, una vez llegue al límite del riel un segundo final de carrera accionado da la orden de detener el movimiento del motor y nuevamente contabilizar 4 horas para el inicio a un nueva toma de fotografías.

En el accionamiento para la captura de fotografías un motorreductor tiene la función de accionar la cámara por cada giro que este, mediante un mecanismo sencillo en forma de leva.

124

5.5. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

Como ya se ha mencionado el proyecto trata sobre el seguimiento acerca del desarrollo y crecimiento de la planta de Quinua. Siguiendo esta afirmación gracias a la toma de fotografías obtenidas por el mecanismo de forma diaria, mensualmente el usuario podrá observar el comportamiento que tuvo la planta durante ese lapso de tiempo, llevando así un registro fotográfico. Partiendo de este registro el proyecto plantea emplear una serie de métodos de procesamiento de imágenes con la ayuda de Matlab, con el fin de analizar y resaltar características tales como: apariencia, frescura, tonalidad, estado, tamaño, calidad, asepsia y presencia de plagas.

En esta sección se explica de forma clara las etapas que lleva implementar procesamiento de imágenes partiendo de la información obtenida por el Dr. WAINSCHENKER Rubén42 en su clase de procesamiento Digital de Imágenes .2011., sin embargo, cabe aclarar que todo depende del tipo de imagen a la que se desea efectuar dicho proceso. Por lo cual más adelante se dan ejemplos de diferentes métodos utilizados y que se podrán usar en fotografías de cultivos.

5.5.1. ETAPAS DE PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

Antes de entrar en más detalle a explicar el procedimiento e implementación de procesamiento de imágenes en el proyecto, se debe recordar que este es un conjunto de métodos y técnicas empleadas en imágenes digitales para lograr mejorar la calidad de esta, para facilitar la búsqueda de características específicas.

5.5.1.1. Adquisición de las imágenes (captura)

La primera etapa consiste en adquirir o capturar las imágenes, proceso que trata de convertir un objeto o un documento, en una representación apta para ser procesada por una computadora.43

42 43

Dr. WAINSCHENKER, Rubén. «Procesamiento Digital de Imágenes.» .2011.

Ibid

125

El siguiente cuadro explica de forma breve las etapas de procesamiento digital de imágenes, no obstante luego se describen de forma más detallada los pasos que se deben seguir.

Figura 66. Etapas de procesamiento digital de imágenes.

Captura Pre-procesamiento

•Diseño de las propiedades de la captura. Tipo de camara, distancia al objeto, mega pixeles, etc.

•Reducir el entorno que no es de interes para el problema, fondo, ruido, etc.

Segmentacion

•Reconocer y extraer cada uno de los objetos presentes en la imagen.

Binarizacion(Extraccion de caracteristicas)

•Seleccionar y extraer caracteristicas apropiadas para la identificacion de los objetos deseados.

Identificacion de objetos

•Utilizar un modelo de toma de decision para decidir a que categoria pertenece cada objeto.

Fuente: Procesamiento digital de imágenes (Dr. Wainschenker).

5.5.1.2. Pre-procesamiento de la imagen

La segunda etapa denominada Pre-procesamiento de la imagen, es una serie de técnicas o métodos que comprenden operaciones para el tratamiento de imágenes, basadas en la modificación del valor del píxel de la imagen de salida, en función del valor de imagen de entrada. En otras palabras, el objetivo de estos procesos es modificar las imágenes para mejorar su calidad o resaltar los detalles que interesan, comprendiendo así filtros de realce y de suavizamiento, como son: paso bajo y paso alto, para la mejora de apariencia en la imagen.  Filtro paso bajo: atenúa frecuencias altas y mantiene invariables las bajas.  Filtro paso alto: atenúa las frecuencias bajas y mantiene invariables las altas.

Existen diferentes tipos de operaciones matemáticas tales como:  Transformada Rápida de Fourier (FFT): Eliminar ruidos.  Dispersiones Gaussiana: Facilitar la dispersión.  Convolución: Suavizar contornos o empañar.

126

El proceso de filtrado, es el conjunto de técnicas dentro del pre-procesamiento de imágenes, cuyo objetivo fundamental es obtener, a partir de una imagen origen, otra final cuyo resultado sea más adecuado para una aplicación específica. Para lograr mejorar la calidad de imagen en términos simple se ha de pasar por una serie de filtros con el fin de:  Suavizar la imagen: reducir las variaciones de intensidad entre píxeles.  Eliminar ruido: eliminar aquellos píxeles cuyo nivel de intensidad es muy diferente.  Detectar bordes: detectar los píxeles donde se produce un cambio brusco en la función intensidad.

5.5.1.3. Segmentación La tercera etapa la segmentación, es aquella mediante la cual se divide la imagen en regiones o segmentos manipulables. Este paso se desarrolla en íntima relación con la base teórica, es decir, el reconocimiento de la información que se desea obtener, separando de la imagen propiedades o regiones con una textura dada.

Aplicación de operaciones morfológicas basando su principio en operaciones de teoría de conjuntos. Las operaciones morfológicas simplifican imágenes y conservan las principales características de forma de los objetos, permitiendo que las formas subyacentes sean identificadas y reconstruidas de forma morfología óptima a partir de sus formas distorsionadas y ruidosas. Utilizada en: Preprocesamiento de imágenes (supresión de ruidos, simplificación de formas), enfatizando la estructura de los objetos (extraer el esqueleto, detección de objetos), descripción de objetos (área, perímetro) e imágenes binarias.

5.5.1.4. Binarizacion (Extracción de características) El paso siguiente es la extracción de características, también conocido como binarizacion, de modo que pueda obtenerse la información deseada a partir de características particulares, tales como: forma, color, etc. La binarizacion, es el resultado de una segmentación por niveles de gris o de una segmentación por selección de un rango de color determinado la selección interactiva de regiones de interés, las cuales se utilizaron como mascaras de comparación o referencia. En este proceso se pretende disminuir la información de una imagen, en la que solo existen dos valores: verdadero y falso, representados por valores de 0 y 1, es decir, por los colores negro (valor de 0) y blanco (valor de 255).

127

En el proceso y análisis de imagen, la binarizacion se emplea para separar las regiones u objetos de interés en una imagen del resto. Las imágenes binarias se usan en operaciones booleanas o lógicas para identificar individualmente objetos de interés o para crear mascaras sobre regiones.

5.5.2. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES APLICADO EN EL CULTIVO DE QUINUA MEDIANTE MATLAB

A continuación se describen las etapas anteriormente definidas empleadas directamente en el cultivo de Quinua, con base a la caracterización de la planta asumiendo en cuenta propiedades de apariencia, tonalidad, tamaño, madurez, crecimiento y desarrollo de la planta según pasan los días. En la experimentación se realizan los siguientes pasos:

Figura 67. Procesamiento de imágenes.

Captura

•Se captura la imagen mediante el mecanismo movil, para ser leida y procesado por el software Matlab.

Pre-procesamiento

•Mediante funciones predeterminadas en Matlab se reduce el ruido y entorno que no es de interes

Segmentacion

•Reconocer y extraer las caracteristicas de una de las plantas de Quinua.

Binarizacion(Extraccion de caracteristicas)

•Extraer las caracterisitcas de interes, apariencia, tonalidad, madurez y crecimiento de la Quinua

Identificacion de objetos

•Analisis de los datos obtenidos.

Fuente: Etapas del algoritmo de procesamiento de imágenes en el Cultivo Quinua.

(Reneé Condori, Victor Bellido)

Para todos los ejemplo o aplicaciones que se explicaran, la etapa de adquisición de datos, es decir la toma o captura de imágenes es a partir de la Cámara Sony 14.1 mega pixeles del mecanismo móvil. Una vez tomada las fotografías, mediante algoritmos en MATLAB se lee una de las imágenes de la carpeta de la cámara en el ordenador, para luego ser convertida y guardada en forma matricial en una representación apta para ser procesada por algoritmos en MATLAB.

128

5.5.2.1. Aplicación No. 1

En esta primera aplicación se toma una de las fotografías capturadas por el mecanismo, como por ejemplo:

ImgOr=imread('Quinua.jpg'); %lee la imagen figure,imshow(ImgOr)%visualizar la imagen

Figura 68. Toma de fotografía de la planta de Quinua.

Fuente: Año internacional de la Quinua (Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO).

129

Pre-procesamiento de la imagen: En este caso para la aplicación de procesamiento de imágenes empleado en fotografías del crecimiento y desarrollo de las plantas de Quinua, se aplican diferentes métodos mediante pequeños algoritmos elaborados en MATLAB basados en operaciones para el tratamiento de imágenes, basados en la modificación del valor del píxel para la mejora de calidad en la imagen. A partir de esto se lleva a la aplicación de un filtro pasa bajos promedio con una máscara circular de radio 5 o una máscara rectangular de 5x5filtro de 5 pixeles con el objetivo de eliminar ruido que pueda afectar la selección por coloración.

%% Preprocesing (Filtro de ruido a través del promedio) Img2=imresize(ImgOr,[500 nan]);%tamaño de 500 pixeles de altura h = fspecial('average',5);%5 se pixela la imagen #mayor mayor pixelado (difminacion) Img3=imfilter(Img2,h);%se aplica el filtro en la imagen figure,imshow(Img3)%visualizacion de la imagen con el filtro

Figura 69. Aplicación de filtro basa bajo en la imagen.

Fuente: (Los Autores)

130

Segmentación (Clasificación de la imagen): Se divide la imagen en regiones o segmentos manipulables por medio del algoritmo elaborado, para así apartar o segmentar una a una las plantas de Quinua de su cultivo, para su debido tratamiento. Se realiza una segmentación según sus características RGB donde se selecciona el color de la planta y la panoja de Quinua (morado, amarillo, verde) en este caso color verde. Para esto se resta de la matrices R, G, B la matriz G (matriz verde), como se puede observar en la figura 70.

%% Segmentación del objeto referencia por Color (Ej Azul) Rojo %imagen en RGB ImgR=Img3(:,:,1); %matriz rojo de la imagen ImgG=Img3(:,:,2); %matriz verde de la imagen ImgB=Img3(:,:,3); %matriz azul de la imagen w=2;%2 %constante que divide la matrices RGB ImgJusA=ImgG-ImgR/w-ImgB/w; %se resta la matriz verde para visualizar solo lo de color verde de la imagen figure,imshow(ImgJusA) %visualizacion de la nueva imagen sin su matriz de verde

Figura 70. Imagen sin colores verdes.

Fuente: (Los Autores) 131

Luego se aplica la función “graythresh” de Matlab calculando un umbral global óptimo para minimizar la varianza intra clase de los píxeles en blanco y negro.

Imgbi=im2bw(ImgJusA,umbral); %binarizacion de la imagen figure,imshow(Imgbi)%visualizacion de la imagen binaria

Una vez realizada la función se prosigue a convertir una imagen origen de intensidad RGB en una imagen binaria.

Figura 71. Imagen binarizada de la planta.

Fuente: (Los Autores)

132

Finalmente, se realizan operaciones morfológicas de vecindades mediante las herramientas de erosión y dilatación ajustando la imagen, permitiendo que las formas subyacentes sean identificadas y reconstruidas, simplificando formas, detectando objetos y describiendo estos con su área y perímetro, características que permiten describir el crecimiento y desarrollo que lleva la planta.

%% Operación de closing para cerrar la imagen se = strel('disk',5); % crea un elemento estructurante, en este caso de discos de radio de 50 Imgclose=imclose(Imgbi,se);% se aplica la funcion anterior a la imagen binaria figure,imshow(Imgclose)%visualizacion de la imagen aplicando la función

Figura 72. Aplicación de operaciones morfológicas.

Fuente: (Los Autores)

133

Análisis de la imagen procesada: Una vez aplicado los algoritmos se permite el reconocimiento de los elementos seleccionados en la segmentación, obteniendo la información requerida: crecimiento o tamaño de la planta, tonalidad de la panoja, madurez y presencia de plagas en la plana de Quinua.

%% propiedades de los objetos de la imagen [elem ne]=bwlabel(Imgbi); %etiquetacion de los elementos conectados de la imagen %retorna en la variable Ele y Ne son los numeros de elementos propied=regionprops(elem); %Calcular propiedades de los objetos de la imagen for n=1:size(propied,1) %genera rectangulos en las secciones blancas de la imagen rectangle('Position',propied(n).BoundingBox,'EdgeColor','c','LineWidth',2) end

Figura 73. Características del área y perímetro de la planta

Fuente: (Los Autores)

134

Como solo se desea saber el tamaño de la planta se prosigue a eliminar los objetos en blanco con áreas menores o “manchas” que interponen el análisis.

%% Subraya elementos menores a 10000 menores=find([propiplanta.Area]<10000); for n=1:size(propiplanta,1) %genera rectangulos verde en los objetos de menor area rectangle('Position',propiplanta(menores(n)).BoundingBox,'EdgeColor','g','LineWidth',2) end

Figura 74. Marcar áreas que no son de interés.

Fuente: (Los Autores)

135

Finalmente se eliminan estas áreas dejando solo así la imagen deseada.

%% Eliminar objetos menores a 10000 for n=1:size(menores,2) d=round(propiplanta(menores(n)).BoundingBox); Imgbi(d(2):d(2)+d(4),d(1):d(1)+d(3))=0; end figure,imshow(Imgbi)

Figura 75. Eliminar áreas que no son de interés.

Fuente: (Los Autores).

136

Terminando así aplicando las siguientes líneas de código para así obtener las propiedades de la imagen y la altura de la planta en pixeles.

propfinal=regionprops(Imgbi) %propiedades de la imagen final rectangle('Position',propfinal.BoundingBox,'EdgeColor','b','LineWidth',2); %("posición", [x, y, w"ancho", h"altura"]) h=propfinal.BoundingBox(4)

Figura 76. Propiedades de la imagen.

Fuente: (Los Autores)

En otras palabras el algoritmo desarrollado se fundamenta en:  Lectura de la imagen a tratar mediante la función “imread”  Se convierte la imagen a un tamaño de 500 pixeles de filas y con un número de columnas recalculado para no perder la calidad de la imagen.  Se aplica un filtro 2D que permite difuminar la imagen (Filtro de ruido pasa bajos a través del promedio).  Selección del pixel representativo como componente en el espacio RGB con el fin de definir el color a clasificar (verde).  Segmentación de la planta por tonalidad, en este caso se utiliza la imagen en el espacio RGB representa por tres matrices bidimensionales: rojo, verde, azul. En este caso se resta la matriz verde con el fin de tratar y analizar una sola planta.  Se calcula un umbral global óptimo que se puede utilizar para convertir una imagen de intensidad en una imagen binaria.

137

 Binarizacion de la imagen.  Aplicación de operaciones morfológicas para la simplificación de la imagen y realce de características ya sea suavizando y definiendo bordes en la imagen que alteran el análisis hacer.  Enmarcar los objetos encontrados en la imagen.  Buscar elementos que no son de interés en la imagen y eliminarlos  Aplicar regionprops para hallar las propiedades de la sección de la imagen de interés.  En este momento se define la altura que ha crecido la planta por el tamaño de la imagen de color blanco que se observa, que en si es la planta analizar.  Análisis de imagen.

5.5.2.2. Aplicación No.2

En esta segunda aplicación se hace segmentación por color, con el fin de observar detalles de interés, como por ejemplo visualizar la madurez solamente de la planta por su tonalidad, la coloración directamente de la panoja en etapa de crecimiento de la planta. Dependiendo la fotografía el algoritmo servirá para el análisis de interés.  Si la fotografía es de solo una planta se puede analizar la tonalidad de las hojas, tallo, presencia de plagas o enfermedades.  Si la fotografía es panorámica, es decir de todo el cultivo:  En su etapa de madurez, se puede observar las diferentes tonalidades de la panoja, motivo para determinar que sección del cultivo está creciendo y cual no. Igualmente se puede determinar si está madurando todo el cultivo o solo secciones de este.  En etapas de crecimiento, ayuda a determinar el proceso de crecimiento que llevan las plantas del cultivo, si su crecimiento es igual o diferente en todas las plantas, o si es constante o variable según pasa el tiempo.  También se puede detallar mediante estas fotografías la presencia de heladas, sequia, granizada o presencia de aves.

138

El algoritmo empleado trata en la selección de un pixel de la imagen de origen seguido a un proceso de segmentación por color, con el fin de visualizar una sección en específico de la imagen mediante la aplicación de filtros.

En más detalle el proceso de esta aplicación es, inicialmente lectura de la imagen a realizar procesamiento de imágenes.

Figura 77. Imagen original del cultivo de Quinua.

Fuente: (Los Autores)

Segundo, seleccionar el pixel de la tonalidad que se desea segmentar y visualizar para el análisis de la imagen. En este caso se desea observar las tonalidades de las panojas, para esto se selecciona un pixel de color “morado”.

Figura 78. Selección del pixel. Fuente: (Los Autores)

Fuente: (Los Autores)

139

Finalmente se aplica el filtro para obtener la imagen segmentada por color, observando en esta aplicación las panojas con tonalidad morada, detallando así que secciones o partes del cultivo tienen una tonalidad de su panoja madura.

Figura 79. Segmentación por color de la panoja.

Fuente: (Los Autores)

Observando la imagen anterior se puede dar el análisis y las conclusiones del comportamiento del cultivo.

Figura 80. Proceso de la aplicación No 2 de procesamiento de imágenes

Fuente: (Los Autores) 5.5.2.3. Aplicación No.3

En esta tercera aplicación se hace igualmente segmentación por color, con las mismas funciones de análisis de fotografías que la anterior, sin embargo esta tiene 140

la diferencia de poder seleccionar la cantidad de puntos o pixeles para mayor exactitud de la tonalidad que se desea segmentar. Igualmente se tiene la posibilidad de segmentar uno o mรกs tonalidades en la misma imagen.

En detalle el proceso de esta aplicaciรณn es: lectura de la imagen a realizar procesamiento de imรกgenes.

Figura 81. Imagen del cultivo a realizar procesamiento.

Fuente: (Los Autores)

Segundo, seleccionar la cantidad de pixeles de la tonalidad que se desea segmentar y visualizar para el anรกlisis de la imagen. En este caso las tonalidades de las panojas.

Figura 82. Tonalidades que se desea segmentar.

Fuente: (Los Autores)

141

Finalmente se aplica el filtro para obtener la imagen segmentada por color y as铆 realizar el an谩lisis del cultivo o la secci贸n examinar.

Figura 83. Segmentaci贸n de imagen del cultivo.

Fuente: (Los Autores)

142

6.

CAPÍTULO: ANÁLISIS DE RESULTADOS

Esta sección se divide en dos etapas, una práctica definiendo los entregables y alcances tangibles que se propusieron a comienzo del proyecto, e igualmente una etapa analítica sugiriendo cómo se debe realizar el análisis de los datos obtenidos por los dispositivos y herramientas construidas e implementadas, dando así un resultado y muestra de los planes de monitoreo y seguimiento ambiental que se han de realizar al utilizar la herramienta de caracterización del cultivo de Quinua.

6.1. ETAPA PRÁCTICA

En este capítulo se da conocer por medio de evidencias fotográficas los prototipos terminados de las etapas del proyecto, que se explican a continuación.

6.1.1. ESTACIÓN DE METEOROLOGÍA

Con la ayuda de esta estación meteorológica podrá decidir los planes de control y prevención de impactos ambientales en el cultivo, en la siguiente figura se evidencia dicha estación en su etapa final.

Figura 84. Estación Meteorológica.

Fuente: (Los Autores)

143

En la siguiente imagen se muestra la estación meteorológica y el gabinete donde está ubicado el PC al que estará conecta la estación.

Figura 85.Prototipo de Estación Meteorológica.

Fuente: (Los Autores) 144

6.1.2. INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO GUI

La estación emplea el ordenador para la visualización de la interfaz de usuario GUI; una interfaz para observar de manera sencilla y clara los valores de mediciones en tiempo real, como también el proceso de crecimiento que debería lleva la planta desde su comienzo, mostrando de igual forma la madurez de la panoja, acompañados de fecha y hora para poder analizarlos en períodos de tiempo más largos.

Figura 86.Interfaz de usuario de la herramienta de caracterización.

Fuente: (Los Autores)

En la parte superior se encuentra el botón de encendido para iniciar el monitoreo y visualización de mediciones, en la sección media se visualizan los días transcurridos desde el inicio de siembra del cultivo y una imagen patrón de cómo ha de crecer la planta según cómo transcurre el tiempo. Finalmente en la parte inferior se visualizan las mediciones registradas en tiempo real.

145

En la siguiente tabla se registran automáticamente las mediciones cada 4 horas durante toda la etapa de desarrollo de la planta. Aunque la tabla muestra solo una parte de la tabla, esta contiene todas las filas de los 31 o 30 días del mes, como también se puede encontrar en el archivo en Excel en cada hoja el registro de los datos por mes.

Tabla 9. Registro de mediciones diarias de la Estación.

Fuente: (Los Autores).

146

6.1.3. MECANISMO MÓVIL

En el capítulo anterior se describe toda la parte mecánica, electrónica y el funcionamiento del mecanismo, sin embargo en esta sección se muestra el mecanismo móvil en su parte final, observando el cómo definitivamente quedo construido, la estructura que fue implementada y en donde fue situada para su debida labor.

Figura 87. Estructura para el desplazamiento del mecanismo.

Fuente: (Los Autores)

De esta manera quedo el mecanismo diseñado, sin embargo a continuación se muestra en la Figura, la cámara utilizada y su parte mecánica para la captura y toma de fotografías, que luego han de ser analizadas.

Figura 88. Mecanismo móvil.

Fuente: (Los Autores).

147

6.1.4. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

Se muestra de forma resumida el proceso que llevo el procesamiento de imágenes y algunas de las pruebas que se hicieron con diferentes fotografías de diversas plantas para la prueba y experimentación del funcionamiento del algoritmo.

Figura 89. Proceso de procesamiento de imágenes en la Quinua.

Fuente: (Los Autores) 148

6.2. ETAPA ANALÍTICA

En este aparto se da una breve explicación de cómo realizar el análisis de los resultados del funcionamiento de la herramienta de caracterización implementada en el cultivo de Quinua, con el fin de observar y evidenciar la relación e influencia que puede llegar a tener los factores climáticos con respecto al proceso de crecimiento, producción y desarrollo de la plantación, centrados en la fenología de la planta.

6.2.1. ESTACIÓN DE METEOROLOGÍA

Como ya se sabe una estación climatológica se emplea en una zona determinada que ha sido destinada a la obtención, medición y procesamiento de los datos de los distintos fenómenos meteorológicos.

Partiendo de la afirmación anterior la estación se ubica en un lugar dentro del cultivo cuyo clima es representativo de las condiciones de la zona. Así, por ejemplo, se evitarán mediciones erróneas diferentes a la de su entorno. Por tal razón se busca situar en un lugar llano y libre de obstáculos que puedan afectar las observaciones, alejada de la influencia de árboles y edificios; no debe situarse sobre pendientes muy fuertes.

En cuanto a la instalación de los instrumentos de la estación, no hay normas establecidas al respeto, sin embargo, su ubicación en la estructura de la estación es esencial, buscando el lugar idóneo para no afectar entre sí las mediciones.

Figura 90. Ubicación dentro del cultivo de la Estación Meteorológica.

Fuente: (Los Autores)

149

El campo de observación, tiene un área de 20 x 20 m, estando cubierto de grama la cual se deberá podar con el pasar del tiempo y nunca regar, pues esto puede modificar la lectura de los sensores.

Los principales datos meteorológicos a utilizar son la humedad relativa, temperatura máxima, mínima y promedio de cada una, precipitación pluvial, velocidad media dominante y dirección del viento; datos que se registran en intervalos de 4 horas a diario.

Entrando en más detalle al análisis de las mediciones, la estación ayudará al usuario a llenar una planilla de seguimiento, control y registro del comportamiento climático como el siguiente: “En el mes ______ se pudo observar por los datos registrados por la herramienta que las variables tienen un comportamiento estable o variable durante el transcurso del día. Como se muestra en las tablas y graficas en las horas de la mañana las temperaturas son de ___ºC, humedad de ____%, precipitación de ____mm, velocidad del viento de ____MPH, dirección del viento de____ grados, en lugares con una altitud de _____msnm y una presión barométrica de_____hPa, en la tarde se registra un cambio en las variables de _____, sin embargo se observa un comportamiento_____ en los días que se hace el muestreo.”

A partir de los registros obtenidos en la estación se irán constituyendo sucesivamente la serie de datos por horas, días, semanas, meses y años en los que se basa el estudio climático. Aclarando que la herramienta está en constante monitoreo, siendo así capaz de registrar y guardar las variables de medición durante el transcurso del tiempo que demore el crecimiento y madurez de la planta, o hasta su poscosecha.

Finalmente recordar que el monitoreo y registro de las variables se obtiene automáticamente gracias a la tabla de registro de la estación, de la cual se genera un formato de seguimiento de crecimiento de la planta a diario como también los promedios de las variables climatológicas por día, todo con el fin de observar la incidencia de los diversos fenómenos y variables que tienen lugar alrededor del cultivo afectando o ayudando directamente sobre su desarrollo.

Así mismo, según el estudio realizado por la Estación también se recomienda realizar un informe acerca de las condiciones ambientales donde la Quinua creció durante toda su etapa de crecimiento: 150

“En la zona de _______ se observó que la Quinua es un cultivo muy resistente donde los suelos pueden ser pobres, las lluvias escasas y las temperaturas extremas. No obstante, las condiciones más óptimas para el desarrollo de la planta son las siguientes:  Clima: La zona donde se cultivo es un área desértica, calurosa o fría, templada o lluviosa, calurosa con mayor humedad relativa y zonas cordilleranas de grandes altitudes.  Suelos: La zona posee un terreno arenoso a arcillosos, con buen drenaje, llanos o con pendientes moderadas, con profundidad media y con una riqueza media de nutrientes  PH: El suelo posee un valor de pH comprendido entre ______.  Agua: La zona comprende precipitaciones de_______ siendo óptimas precipitaciones por estar entre 300 y 500 mm.  Temperatura: La temperatura óptima que se evidencio es de______ estando en el rango óptimo para el crecimiento de la planta, y soporto temperaturas extremas de 38ªC hasta –8°C, en determinadas etapas fenológicas.  Humedad Del Ambiente: Un exceso de humedad en el ambiente es dañino para el cultivo de quínoa, especialmente en las épocas de: floración, madurez, cosecha. Durante todo el ciclo del cultivo la humedad está comprendida entre el 40% hasta el 100%.  Radiación Solar: Se observó por medio de las fotografías una radiación_____.  Altitud De Cultivo: La Quinua crece y se adapta a zonas desde el nivel del mar hasta los 4000 m.s.n.m. Sin embargo la planta se cultivó en una zona con altitud de_______.

Finalmente según la descripción anterior se puede concluir que todas la variables analizadas son aptas y que especialmente la zona donde se plantó la Quinua, es un ambiente favorable, propio, optimo y propició para plantaciones futuras. “

151

6.2.2. MECANISMO MÓVIL

En este caso el mecanismo es una herramienta móvil dispuesta al recorrido y traslado longitudinal en una sección del cultivo, exactamente en un 10% de la plantación de Quinua, en este caso, suficiente para lograr evidenciar las características, desarrollo, propiedades, presencia o ausencia de plagas y enfermedades en un cultivo. Pero no solo eso, este mecanismo tendrá la función de aprovechar su movimiento para la toma de fotografías de las plantas, por medio de una cámara que posee el mecanismo móvil. Cabe señalar que estas fotografías irán al ordenador para ser analizadas.

A continuación se observa la sección que se toma para el análisis del cultivo.

Figura 91. Sección o área de muestra para el análisis.

Fuente: (Los Autores)

152

6.2.3. APLICACIÓN DE ANÁLISIS DE MEDICIONES Y DESARROLLO DE LA PLANTA DE QUINUA

Entrando en detalle y basados en la tabla de registro obtenida por la estación, en la captura y procesamiento de imágenes por el mecanismo móvil que se le hizo a la plantación, el usuario con ayuda de las siguientes tablas o plantillas podrá registrar y seguir etapa tras etapa la evolución del cultivo.

“Se evidencia que la planta sufre variaciones en el crecimiento en las etapas de _________ teniendo un crecimiento progresivo de______ cm por mes, afectando el crecimiento de la planta. En contexto se puede observar en la siguiente tabla como fue el crecimiento de la planta en sus diferentes fases fenológicas, lo cual ayuda a concluir que el proceso de crecimiento se vio beneficiado, afectado o alterado en la duración de las etapas de desarrollo de la planta.”

El siguiente cuadro según la indagación y estudio hecho sobre las fases de fenología de la Quinua, muestra la duración de cada una de las etapas, las características que la describen y las fases críticas con más vulnerabilidad al ataque de plagas y enfermedades. Es así que el usuario considerara está tabla, como el parámetro patrón de comparación para el análisis del desarrollo del cultivo.

153

Tabla 10. Cuadro comparativo del proceso de crecimiento de la planta de Quinua.

ETAPA FENOLOGICA

CARACTERISTICA

TIEMPO

Siembra

Hay desplazamiento de la ridícula y la plúmula

3 dds

Emergencia

La plántula sale del suelo, se observa las hojas cotiledonales

7-10 dds

Aves

Dos hojas verdaderas

Se observa 2 hojas verdaderas encima de las cotiledonales

10-15 dds

ataque de cortadores "ticuchi"

25-30 dds

Ataque de los perforadores de hojas "pikipiki"

Cuatro hojas verdaderas Seis hojas verdaderas

Se observa 2 pares de hojas verdaderas, las cotiledonales se vuelven verdes Se observa 3 pares de hojas verdaderas, las cotiledonales se vuelven amarillentas

35-45 dds

Ramificación

Se observa 8 hojas, las cotiledonales se caen.

45-50 dds

Inicio de panojamiento

En el ápice la inflorescencia va saliendo, el tallo se comienza a estirase y engrosar.

55-60 dds

Panojamiento

Se observa la inflorescencia por completo

65-70 dds

Inicio de floración

Se observa la flor hermafrodita abierta con estambres separados

75-80 dds

Floración

Se observa hasta un 5% de flores abiertas en el medio día

90-100 dds

Grano lechoso

Se observa un líquido blanquecino del fruto al ser presionado

100-130 dds

Grano pastoso

Al ser presionado el fruto la consistencia es pastosa

130-160 dds

Madurez fisiológica

Hay una resistencia al ser presionado por la uña, cambio de color de la planta.

160-180 dds

Fuente: (CALLA Jael)

154

ETAPAS CRITICAS

Ataque de la primera generación de la "kconakcona" minando hojas

Ataque de la segunda generación de kconakcona

Según la tabla anterior se diseña un formato para el seguimiento y monitoreo del cambio que puede tener la plantación de Quinua cultivada según el desarrollo que tiene.

Tabla 11. Tabla de resultados del proceso de crecimiento de la planta de Quinua.

FASES FENOLÓGICAS CULTIVO DE QUINUA Fundación Universitaria Agraria de Kevin Aldrwin Ordoñez Mateus Juan Felipe Monsalve Vargas Colombia ETAPA TIEMPO TIEMPO Crecimiento Factores Factores CARACTERISTICA FENOLOGICA Teórico Experimental de la planta Bióticos Abióticos Siembra Emergencia Dos hojas verdaderas Cuatro hojas verdaderas Seis hojas verdaderas Ramificación Inicio de panojamiento Panojamiento Inicio de floración Floración Grano lechoso Grano pastoso Madurez fisiológica

Hay desplazamiento de la ridícula y la plúmula La plántula sale del suelo, se observa las hojas cotiledonales Se observa 2 hojas verdaderas encima de las cotiledonales Se observa 2 pares de hojas verdaderas, las cotiledonales se vuelven verdes Se observa 3 pares de hojas verdaderas, las cotiledonales se vuelven amarillentas Se observa 8 hojas, las cotiledonales se caen.

En el ápice la inflorescencia va saliendo, el tallo se comienza a estirase y engrosar.

Se observa la inflorescencia por completo Se observa la flor hermafrodita abierta con estambres separados Se observa hasta un 5% de flores abiertas en el medio día Se observa un líquido blanquecino del fruto al ser presionado Al ser presionado el fruto la consistencia es pastosa Resistencia al ser presionado por la uña, cambio de color

3 dds 7-10 dds

10-15 dds

25-30 dds

35-45 dds

45-50 dds

55-60 dds

65-70 dds

75-80 dds

90-100 dds 100-130 dds 130-160 dds 160-180 dds

Fuente: (Los Autores) 155

Adicionalmente, para su debido análisis del comportamiento del cultivo en sus etapas fenológicas, también se elabora un formato para el seguimiento de las variables climatológicas del registro diario, como base de la incidencia que tienen está en el crecimiento de la planta.

Tabla 12. Seguimiento de altura y variables climatológicas.

ESTACION METEOROLOGICA DE MONITOREO AMBIENTAL Altitud :

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA

Fecha Dia Mes Año 1 5 2015 2 5 2015 3 5 2015 4 5 2015 5 5 2015 6 5 2015 7 5 2015 8 5 2015 9 5 2015 10 5 2015 11 5 2015 12 5 2015 13 5 2015 14 5 2015 15 5 2015 16 5 2015 17 5 2015 18 5 2015 19 5 2015 20 5 2015 21 5 2015 22 5 2015 23 5 2015 24 5 2015 25 5 2015 26 5 2015 27 5 2015 28 5 2015 29 5 2015 30 5 2015 31 5 2015

Direccion del viento (grados)

0

(msnm)

0

Velocidad del viento

Humedad

Temperatura

(MPH)

(% )

(°C)

Maxima

Minima

Maxima

Fuente: (Los Autores)

156

Minima

Maxima

Minima

: Presion (Pa)

Precipitacion (mm)

Altura de la planta

Con base a la tabla en Excel se elaboran las siguientes gráficas para evidenciar el comportamiento de las variables mencionadas, con la finalidad de ofrecer un mensaje más claro fácil de entender.

Figura 92. Graficas de las variables medición de la estación meteorológica.

Fuente: (Los Autores)

157

Por รบltimo, se propone una segunda tabla para hacer seguimiento de los factores biรณticos y abiรณticos que atacan la planta se crea un formato para el seguimiento del cultivo como se muestra en la siguiente imagen.

Figura 93. Tabla de registro del ataque de factores biรณticos o abiรณticos.

ETAPAS CRITICAS

Aves

Segundo deshierbo y aporque

Primer deshierbo y aporque

Aplicaciรณn de

ETAPA FENOLOGICA

Siembra

Emergencia

Dos Hojas Cotiledonales

Dos hojas verdaderas

Cuatro hojas verdaderas

Seis hojas verdaderas

Ramificaciรณn

Inicio de panojamiento

TIEMPO

3 dds

7-10 dds

10-15 dds

25-30 dds

35-45 dds

45-50 dds

55-60 dds

65-70 dds

Inicio Flora

75-80 d

Factores Bioticos Mildiu Ticuchi k'cona k'cona Maleza Avez

Factores Abioticos Sequia Granizo Helada

Primer deshierbo y aporque

Segundo deshierbo ETAPAS CRITICAS y aporque

Aplicaciรณn de Biocidas Aves

Inicio de Dos Hojas Dos hojas Inicio Floracion Floraciรณn Siembra Emergencia panojamiento Cotiledonales verdaderas

Hojas onales

Dos hojas verdaderas

Cuatro hojas verdaderas

Seis hojas verdaderas

ETAPA Ramificaciรณn FENOLOGICA

dds

25-30 dds

35-45 dds

45-50 dds

55-60 dds TIEMPO

365-70 dds dds

7-10 dds75-80 dds 10-15 dds

espantapajaros Primer Poner deshierbo y aporque

90-100 25-30dds dds

Segundo deshierbo Cosecha y aporque

Cuatro hojas Seis hojas Inicio de Grano lechoso Grano pastoso Ramificaciรณn M adurez fisiolรณgica verdaderas verdaderas panojamiento 100-130 35-45 dds dds

dds 45-50130-160 dds

dds 55-60160-180 dds

Factores Bioticos

Factores Bioticos Mildiu Ticuchi k'cona k'cona Maleza Avez

Factores Abioticos

Factores Abioticos Sequia Granizo Helada

Fuente: (Los Autores)

158

Aplicaciรณn de Biocidas

65-70 dds

Inicio Floracion 75-80 dds

Finalmente se puede observar en las siguientes ilustraciones un pequeño registro fotográfico que lleva el área encargada del sector agropecuario en la Alcaldía de Zipaquirá, registrando el crecimiento y desarrollo de la plantación de Quinua en la zona de San Jorge / Zipaquirá.

Figura 94. Registro del Zipaquirá(19/04/2015).

crecimiento

de

la

plantación

A)

Surcos de la plantación de Quinua en Zipaquirá.

B)

Estado de la planta meses después de la siembra

159

de

Quinua

en

C)

Inicio de panojamiento de la planta

D)

Etapa de floraci贸n de la Quinua

E)

Etapa de inicio de maduraci贸n de la Quinua grano pastoso

160

F)

Etapa de maduraci贸n de la planta grano lechoso

G)

Panor谩mica del cultivo para determinar madurez de este

H)

Secado de las panojas de la planta

Fuente: (Los Autores)

161

7.

CAPÍTULO: CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Tabla 13. Cronograma de actividades.

Fuente: (Los Autores)

162

Figura 95. Ruta crĂ­tica de actividades Diagrama Pert.

Fuente: (Los Autores)

163

Tabla 14. Cronograma de actividades Diagrama Gannt.

Fuente: (Los Autores) 164

8.

CAPĂ?TULO: PRESUPUESTO

Tabla 15. Presupuesto para el proyecto.

Fuente: (Los Autores)

165

9.

CAPITULO: COSTOS DEL PROYECTO

El costo total es de $ 947.300, sin embargo, algunos de los materiales fueron donados en beneficio del proyecto.

Tabla 16. Costos del proyecto.

COMPONENTES

CANT. UNIDAD

ESTACIÓN METEOROLÓGICA Dispositivos de medición de Estación Meteorológica Shield Clima ARDUINO UNO GARITA ARTESANAL METEORÓLOGÍCA Tonillos hexagonal zincado 1/4 X 6 pulgadas Tuerca-arandela 1/4 “ Platos plásticos Codo PVC T en PVC ESTRUCTURA O SOPORTE Caja metálica (tablero de control) GABINETE PARA PC Acrílico de 2mm 80*40cm Angulo de división Tornillos ¼” MECANISMO MÓVIL Mecanizado de ruedas Angulo de 1 ½” X 1/8” Ejes de 5mm X 150mm Guaya 5/32” Motor DC 12kg*cm Motor DC 3kg Perros para guaya VIÁTICOS Viajes Alimentación Otros materiales TOTAL

Fuente: (Los Autores)

166

VALOR VALOR UNITARIO TOTAL

1

und

1 1

und und

$ 85.000 $ 63.000

$ 85.000 $ 63.000

4 4 6 1 1

und und und und und

$ 700 $ 150 $ 800 $ 600 $ 600

$ 2.800 $ 600 $ 4.800 $ 600 $ 600

1

und

$ 35.000

$ 35.000

1 2 4

und mt und

$ 26.000 $ 3.000 $ 400

$ 26.000 $ 3.000 $ 400

4 1 2 40 1 1 14

und mt und mt und und und

$ 20.000 $ 8.000 $1.000 $ 500 $ 35.000 $ 25.000 $ 250

$ 80.000 $ 8.000 $2.000 $ 20.000 $ 35.000 $ 25.000 $ 3.500

16 16

$ 210.000 $ 210.000

$ 15.000 $ 240.000 $ 4.500 $ 72.000 $ 30.000 $ 30.000 $ 947.300

10.

CONCLUSIONES

 El resultado obtenido del proyecto fue la construcción, implementación y puesta en marcha de una herramienta de caracterización para el seguimiento y monitoreo ambiental de cultivos de Quinua conformada por: una estación meteorológica con interfaz de usuario, confiable y precisa a nivel de sensórica, adquisición y procesamiento de datos; un mecanismo móvil para el recorrido y tomas de fotografía del cultivo y finalmente algoritmos de procesamiento de imágenes para la identificación detallada de características de interés para el cultivador durante el proceso y etapas fenológicas de la planta, resaltando la claridad y eficiencia del procesamiento de imágenes para el seguimiento fotográfico del cultivo y la determinación de madurez, inocuidad y presencia de plagas.  La implementación de la Estación de Meteorología tiene la característica de poder ser empleada no solo en el desarrollo de proyectos ambientales, sino también, en el uso en diferentes períodos de actividades, de las cuales se necesite determinar y certificar que las acciones que se ejecutan no afectan, ni alteran el medio ambiente.  Como se sabe el monitoreo ambiental es una actividad a largo plazo, siendo fundamental para la descripción del estado de las variables climatológicas, sus tendencias y el impacto que puede generar en zonas de cultivo. Esta descripción, a su vez, debe ser la base para la selección de acciones fundadas para la solución de problemas y conflictos ambientales. Siendo así el monitoreo ambiental un instrumento importante para el seguimiento de actividades, obras y proyectos implementados, así como para la determinación del impacto de las mismas sobre el ambiente.  Gracias a la información que aporta la herramienta de caracterización se puede detectar de manera temprana efectos e impactos no previstos, a modo de controlar y adoptar medidas apropiadas por el usuario encargado del cultivo, todo con el fin de mejorar el crecimiento y desarrollo de la planta en el cultivo.

Partiendo de esto la información adquirida ha de servir para la mejora en la planeación y diseño de planes de control y prevención de impactos ambientales, como también para la adopción de medidas y actividades como riego, fertilizantes, insecticidas y demás variables que se puedan controlar, todo con el fin de poder implementar sistemas automatizados en cultivos y/o invernaderos inteligentes.

167

11.

RECOMENDACIONES

 El proyecto se puede implementar en diferentes cultivos no solo en la variedad de tipos de Quinua, sino también a la experimentación en diversidad de plantas, zonas y climas.  Remplazar los dispositivos empleados por instrumentos más robustos, como registrador de variables, PLC y software libre para la adquisición y procesamiento de datos, en la Estación Meteorológica.  Emplear conexiones inalámbricas entre la estación meteorológica y el ordenador, para evitar el contacto del ambiente e el PC.  Elaborar aplicaciones en sitios WEB o en Smartphone para el monitoreo y visualización constante del usuario sin importar donde esté ubicado, ya sea dentro del cultivo o fuera de él, es decir, en lugares distantes al cultivo.  Como alternativa el mecanismo móvil empleado se pueden sustituir por otros prototipos que aunque son de mayor valor monetario, podrán hacer seguimiento al 100% del cultivo. Dichos prototipos pueden ser un drone (vehículos aéreos no tripulados) o el tan conocido hace poco en el mundo con el nombre de SpiderCam, un sistema de alambres utilizado para cámaras que permite un movimiento fluido por el aire.

168

12.

REFERENCIAS

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169

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del

Perú.

«Manejo

de

observaciones

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Meteorológica

Mundial.

«Guía

de

prácticas

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170

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171

ANEXOS

ANEXOS A. ESQUEMÁTICO ARDUINO

172

ANEXOS B. DATASHEET SENSOR DE HUMEDAD / TEMPERATURA - HTU21D

173

ANEXOS C. DATASHEET SENSOR DE PRESIÓN BAROMÉTRICA MPL3115A2

174

ANEXOS D. ALGORITMO DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA EN ARDUINO /* EstacionMeteorologica Este codigo lee sensores de: -Temperatura y humedad -Velocidad del viendo -Direccion del viento -Altitud y presionatmosferica -Precipitacion */ #include<avr/wdt.h> //Mecanismo de seguridad que realiza un reset del arduino en caso de bloqueo #include<Wire.h> //Protocolo I2C necesario para los sensores #include "MPL3115A2.h" //Libreria del Sensor de presion #include "Adafruit_HTU21DF.h" //Libreira del sensor de Humedad MPL3115A2 myPressure; //Llama el sensor de presion Adafruit_HTU21DF myHumidity; //Llama el sensor de humedad //Declarar los pines //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= const byte WSPEED = 3; //pin 3 digital utilizado para lecturas del anemometro const byte RAIN = 2; //pin 2 digital utilizado para lecturas del pluviometro const byte WDIR = A0; //pin A0 analogo utilizado para lecturas veleta //Variables globales //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= longlastSecond; //Variable paracontar los millis longlastWindCheck = 0; volatile long lastWindIRQ = 0; volatile byte windClicks = 0; //Variables a medir //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= intwinddir; // [0-360 grados] direccion del viento floatwindspeedmph; // [mph] velocidad del viento floatwindSpeed; float humidity; // [%] humedad floattemp_h;//[C] Temperatura floataltitudem;//[msnm] Altitud volatile float dailyrainin; //0.011" de lluvia float pressure;//[Pa] Presionatmosferica volatile unsigned long raintime, rainlast, raininterval; // Rutinas de interrupción Son llamados por las interrupciones de hardware //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= voidrainIRQ() { raintime = millis(); // obtiene el tiempo actual raininterval = raintime - rainlast; // Calcula el intervalo de tiempo desde que se ejecuto esta linea if (raininterval> 10) { dailyrainin += 0.011*25.4; //Cada que se active el pluviometro son 0.279mm de agua

175

rainlast = raintime; } } voidwspeedIRQ() { if (millis() - lastWindIRQ> 10) { lastWindIRQ = millis(); //Obtiene le tiempo actual windClicks++; //Cada click por segundo son 1.492MPH } } //Se inicializa y se establece los valores iniciales //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= void setup() { wdt_reset(); wdt_disable(); Serial.begin(9600); //Declarar los pines pinMode(WSPEED, INPUT_PULLUP); pinMode(RAIN, INPUT_PULLUP); pinMode(WDIR, INPUT); midnightReset(); //Configurar el sensor de presion myPressure.begin(); myPressure.setModeAltimeter(); myPressure.setOversampleRate(128); myPressure.enableEventFlags(); myPressure.setModeActive(); //Configurar el sensor de humedad myHumidity.begin(); lastSecond = millis(); attachInterrupt(0, rainIRQ, FALLING); attachInterrupt(1, wspeedIRQ, FALLING); interrupts(); reportWeather(); wdt_enable(WDTO_1S); } //Contiene el programa que se ejecutará cíclicamente //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= void loop() {

176

wdt_reset(); if(millis() - lastSecond>= 1000) { lastSecond += 1000; reportWeather(); delay(25); } delay(100); } //A media noche resetea la variable de precipitacion voidmidnightReset() { dailyrainin = 0; //Resetea la cantidad de lluvia diaria lastSecond = millis(); //Resetea la variable que guarda el tiempo } //Calcula cadauna de las variables //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= voidcalcWeather() { winddir = get_wind_direction(); //Calculadireccion del viento windspeedmph = get_wind_speed(); //Calcula la velocidad del viento humidity = myHumidity.readHumidity(); //Calcula la humedad temp_h = myHumidity.readTemperature(); //Calcula la temperatura altitudem = myPressure.readAltitude(); //Calcula la altitud pressure = myPressure.readPressure(); //Calcula la presion } //Retorna la velocidad del viento //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= floatget_wind_speed() { floatdeltaTime = millis() - lastWindCheck; //750ms deltaTime /= 1000.0; //Convierte los segundos floatwindSpeed = (float)windClicks / deltaTime; //3 / 0.750s = 4 windClicks = 0; //Resetea los clicks lastWindCheck = millis(); windSpeed *= 1.492; //MPH//4 * 1.492 = 5.968MPH return(windSpeed); } // Lee el sensor de direcci贸n del viento // Retorna la direccion en grados //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= intget_wind_direction() { unsignedintadc; adc = averageAnalogRead(WDIR); //Lee el sensor if (adc< 380) return (113); if (adc< 393) return (68); if (adc< 414) return (90);

177

if (adc< 456) return (158); if (adc< 508) return (135); if (adc< 551) return (203); if (adc< 615) return (180); if (adc< 680) return (23); if (adc< 746) return (45); if (adc< 801) return (248); if (adc< 833) return (225); if (adc< 878) return (338); if (adc< 913) return (0); if (adc< 940) return (293); if (adc< 967) return (315); if (adc< 990) return (270); return (-1); // error, desconectado } //Reporta las mediciones de todas las variables //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= voidreportWeather() { calcWeather(); //Llama todas las mediciones Serial.println(winddir); Serial.println(windspeedmph, 3); Serial.println(humidity, 1); Serial.println(temp_h, 2); Serial.println(altitudem, 2); Serial.println(dailyrainin, 3); Serial.println(pressure, 2); } //Retorna el promedio de las lecturas del pin //-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= intaverageAnalogRead(intpinToRead) { bytenumberOfReadings = 8; unsignedintrunningValue = 0; for(int x = 0 ; x <numberOfReadings ; x++) runningValue += analogRead(pinToRead); runningValue /= numberOfReadings; return(runningValue); }

178

ANEXOS E. ALGORITMO DE VISUALIZACIÓN DE INTERFAZ GRAFICA DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA EN MATLAB %Esta función comunica Arduino y Matlab function s = Inicio clearall;clc; %borrar previos delete(instrfind({'Port'},{'COM20'})); %crear objeto serie s = serial('COM20','BaudRate',9600,'Terminator','CR/LF'); warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead'); %abrir puerto fopen(s); end %Funciones iníciales al realizar un interfaz grafica en GUIDE functionvarargout = Tesis(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @Tesis_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @Tesis_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); ifnargin&&ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end ifnargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end functionTesis_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) imag=imread('Quinuaff.jpg'); %Lectura de la imagen image(imag) axis off handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); functionvarargout = Tesis_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output;

%Funcion del botón que arranque o inicio de la estación meteorológica para el monitoreo functionUA_Callback(hObject, eventdata, handles) s=Inicio; %Llama la funcion inicio mes=4; %inicia en el mes de abril j=1;i=1; whilemes<=6 set(handles.mes,'String',mes)

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n=1; Est=[]; while n<=193 tic;x=1; whiletoc<30%14400 %Mediciones durante 4 hora s=Inicio; set(handles.dia,'String',n) whiletoc/x<10%60 %Medicion durante un minuto %Lectura de todos los sensores desde Arduino %Se almacena en una matriz las mediciones de cada variable wd(i)=fscanf(s,'%d'); wv(i)=fscanf(s,'%f'); h(i)=fscanf(s,'%f'); t(i)=fscanf(s,'%f'); a(i)=fscanf(s,'%d'); r(i)=fscanf(s,'%f'); p(i)=fscanf(s,'%d'); i=i+1; pause(0.5);% retardo en segundos end x=x+1; i=1; %Llena matrices de almacenamiento por minuto valores maximos wdir(j)=mode(wd); %el valor que mas se repite de la direccion del viento wvmax(j)=max(wv); hmax(j)=max(h); tmax(j)=max(t); rmax(j)=max(r); %Visualizacion de las variables en el GUIDE set(handles.dw,'String',wd) set(handles.vpro,'String',wv) set(handles.hpro,'String',h) set(handles.tpro,'String',t) %Se resetea las matrices wd=[];wv=[];h=[];t=[];r=[]; %Se hallan los valores maximos, minimos, moda o promedio de las variables wd4=mode(wdir); wvmax4=max(wvmax); wvmin4=min(wvmax); hmax4=max(hmax); hmin4=min(hmax); tmax4=max(tmax); tmin4=min(tmax); r4=max(rmax); %Visualizacion en GUIDE de los valores hallados anteriomente set(handles.dwfre,'String',wd4) set(handles.wvmax,'String',wvmax4) set(handles.wvmin,'String',wvmin4) set(handles.hmax,'String',hmax4) set(handles.hmin,'String',hmin4) set(handles.tmax,'String',tmax4)

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set(handles.tmin,'String',tmin4) set(handles.raindia,'String',r4) %En el primer minuto se halla la altitud y presion if (j==1)&&(n==1)&&(mes==4) %Promedio de altitud y presion amean=mean(a); pmean=mean(p); %visualizacion en GUIDE de la altitud y presion set(handles.alt,'String',amean) set(handles.pre,'String',pmean) %Exportacion de los datos a excel xlswrite('Tesisregistro.xlsx',amean','Abril','J2') xlswrite('Tesisregistro.xlsx',pmean','Abril','K2') end j=j+1; end j=1; % se inicializa a 1 el contador de minutos wdir=[];wvmax=[];hmax=[];tmax=[];rmax=[]; %Reset de las matrices %En la matriz Est se registran los datos de todas las variables Est(n,1)=wd4; Est(n,2)=wvmax4; Est(n,3)=wvmin4; Est(n,4)=hmax4; Est(n,5)=hmin4; Est(n,6)=tmax4; Est(n,7)=tmin4; Est(n,8)=r4; n=n+1; %Sentencia para declarar el mes en el que se estรก registrando %Dependiendo el mes se exportan los datos de la matriz a Excel if mes==4 xlswrite('Tesisregistro.xlsx',Est,'Abril','E5'); elseif mes==5 xlswrite('Tesisregistro.xlsx',Est,'Mayo','E5'); elseif mes==6 xlswrite('Tesisregistro.xlsx',Est,'Junio','E5'); end end mes=mes+1; % Contador de los meses transcurridos durante el incio de la medicion end

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