Sistema de Control de temperatura en invernadero comunitario (Parte I)

Autora: Celis Cedeño / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT). 

 

Resumen

Los invernaderos automatizados permiten el control y regulación de variables como la temperatura, humedad, etc. son capaces de generar un clima controlado para la producción de alimentos como frutas, verduras y hortalizas, con el fin de tener alimentos de calidad fuera de época para el surtimiento y seguridad alimentaria en comunidades y familias. Permite a labradores de la tierra mejora de su situación económica por medio de una cosecha controlada y protegida de elementos ambientales adversos. Es importante resaltar que los agricultores de sectores rurales siguen con las técnicas tradicionales lo que hace que muchas veces vean sus esfuerzos en vano al perder sus cosechas ya que no pueden tener control sobre las circunstancias ambientales.En este documento se presentará el control de temperatura para un invernadero comunal el  cual constará de varias etapas las cuales son etapa de senso, comparación y de potencia haciendo uso de electrónica analógica y digital.

Introducción

La agricultura familiar tiene el potencial de promover la sostenibilidad ambiental de los sistemas ecológicos gracias a su comprensión de los espacios locales y las capacidades de la tierra (FAO, 2015).

En 2014, la FAO encabezó la celebración de la agricultura familiar (AIAF, 2014) concentrándose en el papel que juega la agricultura familiar como paliativo del hambre y la pobreza generando seguridad alimentaria a los pueblos afirmando que este tipo de economía produce entorno al 80% de los alimentos del mundo.

Sin embargo generalmente estos cultivos se realizan en zonas rurales donde se siguen  aplicando las técnicas tradicionales con poco grado de ingeniería y automatización por parte de los agricultores.  Méndez, N. (2018).

La agricultura tradicional tiene limitantes respecto a los constantes cambios climáticos en donde su impacto influye directamente sobre las siembras generando pérdidas considerables, esto por sus acelerados cambios en donde de acuerdo a modelos meteorológicos dictan temperaturas altas y alteraciones en los patrones de lluvias influyendo directamente sobre la agricultura (Williams, 2013). Por tal motivo se hace necesario nuevas alternativas de siembras para el sector de la agricultura en donde los labradores de la tierra tengan acceso a nuevas tecnologías así como la capacitación necesaria para el manejo de las mismas. Contando con sistemas de automatización amigables.

De toda esta problemática planteada una alternativa es el uso de invernaderos ya que los mismos presentan un clima que puede ser controlado para así poder generar producción en cualquier época del año no importando las condiciones climáticas que es un importante factor a evaluar a la hora de cultivar alimentos.

Eventos climáticos

La agricultura es un sector cuya producción depende mucho de las condiciones climáticas, en donde si son favorables o no incide directamente en los resultados. Un evento climático extremo puede sacar de cancha a un productor, las fuertes lluvias  como largas sequías producen efectos negativos sobre la producción en la agricultura  Fermín koop (2019). En la figura 1 se puede notar la pérdida de una cosecha por inundaciones.

Figura 1. Cosecha perdida por inundaciones. Por Koop (2019)

En la figura 1 se observa como la cosecha se anegó por las excesivas precipitaciones, este encharcamiento pudre las raíces por la asfixia radicular en la cual el agua desplaza al oxígeno en el suelo haciendo que la planta no pueda respirar.

Los constantes cambios climáticos afirmados por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) hacen que sea necesario búsqueda de soluciones en el área de agricultura con el fin de que las cosechas no se pierdan a causa de las alteraciones climáticas ocasionando pérdidas económicas. Es por ello que los invernaderos juegan un papel fundamental para el resguardo y protección de los alimentos y aún más específicos los invernaderos comunales como herramienta para la generación de seguridad alimentaria en las comunidades y familias.

Los invernaderos

Según Méndez (2018) la norma AFNOR V57001 de la comunidad económica europea define un invernadero como: “recurso destinado al cultivo y protección de las plantas explotando la radiación solar, cuyas dimensiones permiten a un hombre trabajar de forma cómoda en su interior”.

Invernaderos comunales

Son espacios cerrados destinados para la producción de frutas y verduras generalmente con dimensiones más pequeñas que los invernaderos tradicionales, estos son laborados por miembros de una comunidad en donde se organizan para la siembra de alimentos a pequeña escala para generar autoabastecimiento para las familias involucradas en la. En la figura 2 y 3 se muestra un invernadero comunal.

Algunos beneficios de cultivar en invernaderos

  • Generan seguridad alimentaria reduciendo el riesgo de pérdidas por cambios climáticos
  • Aumento de la producción
  •  Se obtienen productos de mejor calidad
  • Se logra abastecimiento en todo el año
  • Es posible asegurar al cultivo las mejores condiciones para el crecimiento de la planta
  • Mayor control sobre plagas

Variables a tener en cuenta en un invernadero

Los invernaderos permiten influir de forma directa sobre las variables del clima que van a incidir sobre el cultivo. El desarrollo y buen crecimiento de la planta dependen de como las variables tales como temperatura humedad, riego, luz,  y aire  afectan de forma positiva  el cultivo. De allí la importancia en un invernadero automatizado de controlar estas variables. Para poder dirigir estos distintos parámetros se hacen usos de controladores que por medio de rangos establecidos en el diseño.

Para un control eficiente hace falta que los parámetros estén establecidos dentro del sistema así como la constante comparación con los valores reales con un valor al que se desea que opere el sistema esto es un valor de consigna. (Novagric, 2014).

Un sistema a lazo cerrado es el que se alimenta al controlador de la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida realimentada, con el fin de reducirlo y lograr el comportamiento deseado (Ogata, 2003).  En la figura 4 se muestra un esquema de un  invernadero automatizado.

El control en lazo cerrado está constituido por:

  • Un controlador
  • Un valor de consigna
  • Actuadores
  • Sensores
Figura 4. Sistema de control realimentado para invernaderos inteligentes. Por Invernadero (2010)

Partes de un control en lazo cerrado

Los medidores o sensores: son elementos que captan las señales físicas como lo es la temperatura, humedad, velocidad, roció, etc. y transformarlas en señales eléctricas capaces de ser interpretadas por un controlador. Los sensores más usados en un invernadero son: temperatura, humedad, y luz.

  • Sensor de temperatura: Mide la temperatura interna del invernadero y en función a los datos arrojados e interpretados  por el controlador mandará a hacer algún tipo de acción a un actuador dependiendo si está por encima o por debajo del valor de referencia.
  • Sensor de humedad: Mide la humedad relativa del ambiente para dar orden de abrir o cerrar electroválvula de riego.
  • Sensor de luz: Detecta la luminosidad del ambiente en caso de ser poca como usualmente pasa en días de nubosidad se encenderán las luces para que pueda desarrollarse correctamente el proceso de fotosíntesis.

Controladores: El controlador es el elemento conectado al sistema que compara la referencia con la variable controlada a fin de determinar y tomar la decisión correctiva pertinente (Smith, 2014). En función si el valor está por encima o por debajo de el de referencia activará o desactivará actuadores para llevar el valor real lo más cercano al deseado.

Actuador: Son elementos  al que el controlador manda a  operar para mantener a la variable en los límites deseados, actuadores comunes en un invernadero son: lámparas de sodio, calefactores, electroválvulas, y motores paso a paso.

Interacción de elementos en un sistema lazo cerrado

La forma como interactúan estos 3 elementos dentro de un control lazo cerrado es el siguiente, el sensor es la realimentación que dicta el valor real del sistema, dicha señal es procesada por el controlador cuya función será comparador el valor dado por el sensor con un valor deseado y en función si está por encima o por debajo hará los correctivos necesarios por medio de la activación de los actuadores.

Especificaciones  de diseño en el sistema de control  de temperatura en el invernadero comunal

 Rango de temperatura de control: Dependiendo de la decisión de los miembros participantes en el invernadero comunal respeto a que se va a sembrar se establecerán los rangos máximos y mínimos en los cuales debe operar el sistema.

Valores fuera de los rangos establecidos: Si la temperatura ambiente está por encima del valor de consigna se encenderá un ventilador para llevar la temperatura lo más cercano posible al valor deseado, si está por debajo se encenderá la calefacción permaneciendo encendida hasta que nuevamente se alcance el rango de temperatura establecido.

Actuadores del sistema

  • Ventilador
  • Calefacción (resistencia de calor)

Condiciones de operación de actuadores

  • Si se está dentro del rango incluyendo los valores mínimos y máximos no se encenderá ningún actuador
  • Si se está por debajo del rango se encenderá la calefacción  hasta que la temperatura entre dentro del rango
  • Si se está por encima del rango se encenderá el ventilador

Para la segunda parte del documento se estará explicando cada una de las partes que constituye el sistema de control de riego del invernadero comunal, como interactúan entre si y su funcionamiento de forma detallada.

Referencias:

 

Contacto: cbcm1992@gmail.com