Prototipo para automatizar un sistema de riego multicultivo*

Prototype for automating a multicropping irrigation system

Oziel Lugo Espinosa^1§, Abel Quevedo Nolasco¹, Juan R. Bauer Mengelberg¹, David Hebert del Valle Paniagua¹, Enrique Palacios Vélez¹ y Miguel Águila Marín¹

¹ Posgrado de Hidrociencias. Colegio de Postgraduados. Carretera México-Texcoco, km 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. Tel. 01 595 9523488, 58045900. Ext. 1072, 1383, 1462, 1465 y 1174. (anolasco@colpos.mx), (jbauer@colpos.mx), (dhvallep@colpos.mx), (epalacios@colpos.mx), (fmaguila@yahoo.com). ^§Autor para correspondencia: oziel@colpos.mx.

* Recibido: enero de 2011
Aceptado: septiembre 2011

Resumen

El riego proporciona a la planta el agua imprescindible para su crecimiento y desarrollo; para garantizar el riego adecuado, pero aprovechando al máximo los caudales de agua disponibles, se pueden utilizar sistemas de riego con programación de control automático, para asegurar el suministro cuando y en la cantidad que la planta necesite, para evitar el desperdicio de agua. El presente trabajo se llevó a cabo en 2008 y tiene el propósito de mostrar un prototipo funcional, con base en la integración de tres tecnologías, computación, comunicaciones y electrónica para automatizar el control del riego para sistemas cerrados o abiertos. Se proporcionó información del suelo (porcentaje contenido de arena, arcilla, materia orgánica y densidad aparente): y de los cultivos (tipo, duración, funciones de crecimiento radicular y Kc). Con esta información se elabora un balance hídrico, el cual resulta en la decisión de regar o no alguno de los cultivos. Cuando, como resultado de la función de abatimiento del agua en el suelo en conjunción con el balance hídrico, se determina que se debe regar, el software envía señales digitales de salida por el puerto serial RS232 de una computadora hacia un dispositivo electrónico, para accionar los dispositivos físicos de riego y complementarios (v. gr. electroválvulas, ventiladores, lámparas.) Se integró un subsistema de comunicación bidireccional PC-Modem GSM-Celular, que permite encender/apagar un dispositivo mediante comandos remotos desde un teléfono celular, como también el envío de alarmas y avisos que indican el estado actual del sistema, por medio de mensajes de texto vía celular y correos electrónicos. El sistema de automatización se diseñó en módulos, que permite se adapte a diversas aplicaciones que sean susceptibles de automatización y control. Se describen los dispositivos y programas que componen el sistema, entradas, salidas y proceso que controlan el riego automatizado.

Palabras clave: automatización, balance hídrico, multicultivo, riego.

Abstract

Irrigation provides to the plant the water essential to its growth and development; in order to ensure proper irrigation and maximizing the flow of available water, the irrigation systems with automatic programming can be used, for the purpose of ensuring supply when the plant needs it and in the proper amount, avoiding wasting water. This paper was carried out in 2008 and aims to show a working prototype, based on the integration of three technologies, computing, communications and electronics in order to automate the irrigation's control for closed or open systems. Soil information was provided (sand content percentage, clay, organic matter and bulk density) and crop's as well (type, duration, root growth functions and Kc). With this information a water balance is developed, which results in the decision to irrigate or not, any of the crops. When, as a result of the abatement of water in the soil function in conjunction with water balance, is determined to be watering, the software sends output digital signals by the RS232 serial port of a computer to an electronic device to operate the irrigation physical devices and supplementary (e. g. electrovalves, fans, lamps.) A bi-directional communication subsystem PC-GSM-cell Modem was integrated, which allows turning on/off a device, using remote commands from a cell phone, as well as sending alarms and warnings that indicate the system status through text messages and emails via mobile phone. The automation system was designed in modules, which allows it to adapt to various applications amenable to automation and control. Devices and programs that make up the system, inputs, outputs and processes that control automated irrigation are described.

INTRODUCCIÓN

El riego proporciona a la planta el agua necesaria para su crecimiento y desarrollo. Dada la escasez de agua, es conveniente para la planta pero también para la protección del medio ambiente, que el riego se aplique con la mayor eficiencia. Una de las alternativas para lograr este objetivo es la utilización de sistemas de riego con programación de autocontrol: se trata de sistemas que establecen la ejecución automática de riegos mediante la valoración continua de uno o varios parámetros de control. Los factores de control pueden ser edáficos (como la humedad), indicadores compuestos que relacionan variables meteorológicas y el cultivo (como la demanda evapotranspirativa), y en general, variables que permitan determinar, en forma continua el momento y cantidad de agua necesaria para un cultivo, de tal forma que el sistema tome decisiones con el apoyo en estos indicadores en tiempo real. Es importante resaltar que la aplicación del agua en términos de cantidad y oportunidad, se debe realizar con precisión en tiempo real.

El objetivo de la presente investigación, es describir el desarrollo de un sistema-prototipo de riego automático, que integra: el componente de entrada, consistente en la información meteorológica que se obtiene de una estación meteorológica comercial (Campbell Scientific Inc.); el componente de control (de software, para la toma de decisiones); y el componente de salida, compuesto por dispositivos electrónicos que encienden/apagan periféricos. A esto se agrega una interface de potencia, para la cual los dispositivos pueden ser electroválvulas para la aplicación del riego, entre otros. El control se lleva a cabo por medio de un balance hídrico a partir de las variables meteorológicas, además de la información de los cultivos y suelos. Como parte del sistema se acopló un subsistema de comunicación bidireccional por medio de un modem-celular, que permite tanto activar/desactivar algún dispositivo como el envío de mensajes hacia algún celular, o una cuenta de correo electrónico, para informar alguna acción que realiza el sistema.

La presentación se hace en forma secuencial; es decir, se indica cómo se inicio el desarrollo el sistema de control y las tecnologías de comunicación que se usaron para cumplir el propósito. Una introducción sobre los sistemas existentes de control de riego precede a dicha descripción.

Algunos modelos sobre el control del riego

En la búsqueda de la eficiencia en el uso de agua, Bralts et al. (1986) desarrollaron un programa de cómputo (SCS-Scheduler) para el manejo del riego. Los datos de entrada se programaron en un datalogger. El programa contempla estados del sistema, secciones de riego, control y encendido y apagado de dispositivos. En el mismo sentido, Wessels et al. (1995) desarrollaron un sistema automático para el riego controlado por computadora, el cual usa información meteorológica para calcular la evapotranspiración. Xin et al. (1995) desarrollaron un prototipo de sistema experto (CIMS) para el manejo del riego en tiempo real, la protección de heladas y el control de la fertirrigación en cítricos. Usaron como datos de entrada, información del contenido de humedad del suelo, además de datos obtenidos de una estación meteorológica automatizada.

Moreno et al. (1996) desarrollaron un programa de cómputo (AUTRI Versión 1.0) para la automatización de un sistema de riego localizado. El programa implementa estrategias para determinar el momento del riego mediante el balance hídrico, calculado a partir de variables meteorológicas, datos de suelo y cultivo y mediante el monitoreo de la humedad del suelo a través de un electrotensiómetro. Con el mismo propósito, Carrillo (1999) desarrolló un programa de cómputo con fines de control, programación y aplicación del fertirriego en tiempo real y control de temperatura al interior del invernadero.

Águila (2003) desarrolló un sistema automatizado para el manejo del riego en tiempo real. En el programa se utilizan varios algoritmos que procesan la información meteorológica, del suelo y cultivo, y resultan en diferentes estrategias de riego. Todos estos datos se procesan por medio de un datalogger de la compañía Campbell Scientific Inc., que a través de sus puertos de control, activa el sistema de distribución del agua, hasta que se cubren los requerimientos del cultivo.

La computadora y los sistemas de comunicación electrónica

Las computadoras electrónicas, que permiten realizar los cálculos matemáticos complejos que se requieren para tomar decisiones, funcionan con bajos niveles de energía eléctrica, esto hace que no tengan la capacidad para activar directamente alguna interface que encienda o apague un dispositivo de control. Es por ello que se necesita una interface (electrónica de potencia), que eleve los niveles de energía a los necesarios para accionar los mencionados dispositivos. Las diferentes partes de los sistemas de control deben transmitir información (que puede ser mediciones de sensores, valores de referencia, señales de activación de salidas y comunicación) entre los elementos internos del sistema (Morais y Boaventura, 2000).

Aquí la comunicación de datos implica que la información es digital tanto en la fuente como en el destino, aunque la transmisión puede ser en forma digital o analógica. Esto quiere decir que se pueden utilizar canales analógicos (como la modulación en amplitud o frecuencia) para transmitir información digital (Tomasi, 2003). Noergaard (2005) refiere que todos los sistemas de comunicaciones electrónicas tienen que lidiar con problemas de ruido eléctrico (cualquier energía eléctrica indeseable que cae dentro de la banda útil de la señal de interés), por lo que se debe considerar el aislamiento para el circuito, que evitará comportamientos extraños del sistema.

Comunicación celular-módem-computadora

Para el desarrollo se usó la comunicación celular-modem-PC, donde un módem GSM es un dispositivo que se conecta a la red GSM para enviar/recibir información. La red GSM es una red digital, por lo que no se necesita un módem analógico (adaptador que realiza una conversión analógico-digital MOdulador-DEModulador): basta usar un adaptador que se ajusta al flujo de datos provenientes del PC, al flujo de datos que se utiliza en el enlace digital entre el teléfono y la red GSM.

El modelo de comunicación PC a MODEM se estableció mediante el puerto serial de la PC. El módem funciona mediante un conjunto de instrucciones que se denominan comandos AT, donde el software principal controla el envío y recepción de estos comandos y posterior tratamiento de las respuestas.

Servicio de mensajes cortos (SMS)

Es un sistema para enviar mensajes de texto y recibir mensajes de teléfonos móviles. El SMS fue creado como una parte del estándar de telefonía móvil GSM fase 1 en 1992. Dentro del SMS hay varias características que adhieren al estándar referido: a) un mensaje corto puede tener una longitud de hasta 160 caracteres, que consisten de palabras, números o una combinación alfanumérica, aunque también se pueden utilizar mensajes cortos basados en No-texto (por ejemplo, en formato binario); b) los mensajes cortos no se envían directamente del remitente al receptor, sino que se transmiten a través de un centro de SMS; y c) los mensajes cortos se pueden enviar y recibir simultáneamente con voz, datos y llamadas del fax. Esto se debe por el uso de un canal de radio dedicado durante la llamada: los mensajes cortos viajan sobre un canal dedicado a señalización independiente de los de tráfico.

Celular con sistema operativo windows mobile

MATERIALES Y MÉTODOS

El desarrollo del prototipo de riego implicó el uso de software, dispositivos electrónicos (para el control de los dispositivos de salida y de comunicación bidireccional), información meteorológica (de entrada), e información del suelo (s) y cultivo (s).

La herramienta de desarrollo de software fue el entorno "NetBeans IDE 6.7.1" (plataforma de desarrollo de aplicaciones Java, Marca registrada de Sun Microsystems), que permitió la creación del software riego inteligente automático (RAI) para la comunicación y el control del riego. Además se usó la suite Visual Studio 2008^® (Microsoft Corporation) para desarrollar el software del dispositivo móvil (celular), además de una computadora portátil para el desarrollo e instalación del RAI. Para la comunicación bidireccional de salida, se desarrolló un dispositivo electrónico que usa el puerto serial RS232 de una computadora) y un modem-celular (de uso comercial) que se instaló por USB.

A continuación se describe la integración de todos los componentes, tras presentar las partes del prototipo del sistema de control. La parte de control se realizó con base en el balance hídrico a partir de la información meteorológica, suelo y cultivo. El balance se realiza entre las salidas y entradas de agua al sistema, donde se compensan de una forma eficiente las pérdidas de agua en el sistema a partir de una función de abatimiento de agua en el suelo. El balance hídrico fue la herramienta para la toma de decisiones en la verificación de la disponibilidad de agua en el sistema cultivo-suelo.

Es un método ampliamente usado en los estudios de zonificación agrícola, influencia de la deficiencia hídrica en la productividad de los cultivos (Calvache et al., 1997), y en diseño e implementación y monitoreo de sistemas de riego y drenaje. Silva (2001) señala que el balance hídrico se puede utilizar para establecer las comparaciones entre las condiciones hídricas de localidades distintas. Incluso, se aplica a diferentes escalas de tiempo en función de la disponibilidad de información. El balance del contenido de humedad del suelo se determina con la ecuación:

La evapotranspiración real del cultivo se estima con la siguiente ecuación.

Para estimar la ET₀ se usó el método de Penman-Monteith (1990) que se describe con la ecuación:

Donde: ET₀= evapotranspiración de referencia (mm h¹); Δ= gradiente de saturación de presión de vapor (Pa °C^_1); R_n= radiación neta (kW m²); λ= calor latente de vaporización del agua (2450 kJ kg¹); G= flujo de calor del suelo (kW m²); γ*= constante psicométrica aparente (Pa °C^_1); M_w= masa molecular del agua (0.018 Kg mol¹); e_a-e_d= déficit de presión de vapor del aire (kPa); R= constante de gas ideal (8.3 l*10³ kJ mol^-1 K¹); Θ= temperatura en grados Kelvin (293 K ); r_v= resistencia del área foliar del cultivo (s m¹).

La precipitación efectiva se ajustó con el siguiente modelo (Palacios y Exebio, 1989):

Donde: Pe= precipitación efectiva (mm)

Para determinar las propiedades del suelo, estimación de capacidad de campo (CC) y punto de marchitez permanente (PMP), se usaron las siguientes ecuaciones (Rawls et al., 1983):

Donde: X, Y, Z= porcentajes de arena, arcilla y materia orgánica respectivamente; D= densidad aparente del suelo (g cm³).

Donde: HuFaAp= humedad fácilmente aprovechable total dentro de la zona radicular (escalar); HA= humedad aprovechable; ProRaíz= profundidad de la raíz; FaAbHuPer= factor de abatimiento de la humedad permisible.

Función de desarrollo radicular

Allen et al. (1998) mencionan para calabaza zucchini grey (cucurbita spp.) una profundidad máxima de raíces de 0.6 a 1 m. Sin embargo, sugiere para la planeación del riego una profundidad de 0.6 m. Como valor inicial de profundidad de raíces se tomó un valor de 0.1 m, que corresponde a la longitud de las raíces de las plántulas a la hora de la plantación; los valores subsecuentes se calculan con una curva semejante al desarrollo vegetativo de la planta representado por la curva Kc (ecuación 10).

Donde: X= día juliano del total de la duración del cultivo en días (cero - último día de duración).

El factor de abatimiento está dado por la ecuación:

Donde: X= día juliano del total de la duración del cultivo en días (cero - último día de duración).

Donde: X= duración del cultivo en días (se consideraron 90 días para la duración de todo el ciclo del cultivo) y Kc representa el coeficiente del cultivo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se describe primero el sistema de automatización de riego, que se integra en el software que se denominó riego automático inteligente (RAI). El sistema de subdividió en tres partes: la entrada, el control, y la salida. Éstas se complementan con la comunicación. En la Figura 1, se indica la integración de estos elementos y la interacción entre los mismos. En la Figura 2 se indica el cuadro de diálogo principal del software.

El sistema usa la información meteorológica que se genera de una estación meteorológica Campbell con los siguientes sensores: temperatura del ambiente, radiación global, precipitación, velocidad del viento y humedad relativa, en intervalos de cada hora.

A partir de esta información se determina la evapotranspiración. Por parte de los cultivos se obtiene el tipo de cultivo, y tres funciones: el coeficiente del cultivo Kc, de desarrollo radicular y la duración del cultivo en días. En cuanto a las características del suelo, se necesitan conocer los porcentajes de arcilla, arena, materia orgánica y densidad aparente. Todos estos datos (meteorológicos, propiedades del suelo e información de los cultivos) se almacenan en una base de datos. En la Figura 3 se indica el cuadro diálogo con el que se introducen todos los datos que necesita el sistema.

Sistema de control: riego automático inteligente (RAI)

A partir de la información meteorológica, de los cultivos y de los suelos, se hace un balance hídrico. Para un cultivo, se parte de la información del suelo: se calculan la capacidad de campo y el punto de marchitez permanente, a partir de los cuales se determina la humedad aprovechable, usando la densidad aparente y la profundidad (como una función del crecimiento radicular del cultivo). Para el cálculo del balance hídrico se parte de la humedad inicial del suelo, haciendo uso de la ecuación (1). Se activa el riego si el contenido de humedad resulta menor que un nivel de humedad definido previamente por el usuario (que dentro del software se define por la función de abatimiento permisible). Periódicamente, en intervalos definidos en el sistema, se realiza la recuperación de datos, almacenamiento, cálculos necesarios para cada cultivo y la toma de decisiones para regar.

Los datos almacenados en la base de datos de información meteorológica permiten revisar los datos actuales (Figura 4a), los históricos (Figura 4b) o bien hacer una consulta de alguna variable meteorológica (Figura 4c). La consulta comienza por la selección de una variable y a continuación se especifican los criterios de búsqueda (con los operadores mayor, menor, o igual que un valor), en un periodo determinado.

Sistemas de salida (acciones de los sistemas de control)

Este componente consiste de tres partes: una interface de comunicación electrónica que se vincula con una interface de potencia, y un módem celular. En forma conjunta activan los dispositivos, que pueden ser electroválvulas, ventiladores, calefactores, entre otros.

Comunicación de salida (PC-SERIAL)

La comunicación de salida se realiza con un dispositivo electrónico integrado por circuitos electrónicos, cuya función es enviar información digital (bits) por medio de la comunicación serial. Para la comunicación entre la computadora y el circuito electrónico, se utilizó el microcontrolador PIC18F88 de Microchip^®, que se programó con el compilador CCS-C, que permitió codificar en lenguaje C el problema, y que generó los archivos en código máquina que se graban físicamente en el dispositivo (Figura 5a). Dado que la señal que se trasmite no puede encender/apagar un dispositivo, se utilizó una interfaz electrónica de potencia.

La función de las interfaces de potencia es proporcionar la corriente eléctrica necesaria para que las señales lógicas generadas por el controlador puedan actuar sobre los elementos físicos. Es decir, se usan para transportar energía, integrada por optoacopladores y relés, quedando a disposición del usuario la elección de estos últimos, ya que depende del voltaje de los dispositivos que se tengan que controlar (Figura 5b).

Comunicación RAI, modem-celular y celular

El software RAI se puede configurar para encender/apagar dispositivos a partir del celular. Se parte de configurar el módem-celular que se instala en la computadora. Hecho esto, se pueden activar o desactivar los dispositivos que se conectan a algún puerto. La aplicación que proporciona esta funcionalidad se desarrolló para Windows Móvil^®. En la Figura 6a se indica el cuadro de diálogo principal, con el que se puede hacer una consulta, enviar comandos para activar los dispositivos, definir alarmas y avisos vía correo electrónico, mensajes SMS y llevar a cabo la configuración del software.

Para configurar la aplicación, se especifica el número telefónico del módem celular, y se indica si se desea que se confirme - o no - el mensaje SMS (Figura 6b). La opción de consulta ofrece un campo en el que se pueden pedir las condiciones actuales para un cultivo establecido o bien de un puerto; es decir, el estado (encendido o apagado) de algún dispositivo de riego de los que controlan el sistema (Figura 6c). La interfaz que permite el envío de comandos para encender/apagar un dispositivo asociado a un puerto, se ilustra en la Figura 6d. Con las alarmas (Figura 6e) se visualizan los datos enviados por la computadora a través del módem GSM, dando los informes de la situación actual del cultivo en particular, y con los correos electrónicos e-mail y mensajes SMS, se puede a partir del celular, enviar un mensaje a alguna cuenta de correo electrónico (Figura 6f).

CONCLUSIONES

Se logró encender/apagar algún dispositivo por medio de teléfonos celulares, que a su vez posibilita la automatización del riego, en tiempo real, a partir de variables de suelo, clima y cultivo, con el fin de de alcanzar una mayor eficiencia en la aplicación del limitado recurso agua.

La utilización de tecnologías de comunicación como teléfonos celulares, facilita un seguimiento e incluso el control del sistema en tiempo real, al obtener información del estado del sistema y enviar comandos u órdenes de ejecución, lo que se traduce en beneficios inmediatos en cuanto a la aplicación del riego.

Para que el prototipo realice los cálculos adecuados (cantidad de agua y momento adecuado) para cada cultivo, es necesario introducir en el sistema los parámetros del suelo donde se establece cada cultivo y los datos característicos de cada cultivo (Kc).

AGRADECIMIENTOS

El autor principal agradece a las siguientes personas su apoyo para el desarrollo del prototipo: Luis Carlos Miranda Trujillo, Ricardo Luna, Pedro Ríos González, Ricardo Campos, Arturo Gamalier, Gilberto Lugo, entre otros.

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