Resumen

En los últimos años se ha logradoimplementar controladores PID de temperatura consistemas PLC,tarjetas programables como por ejemplo Arduino e incluso utilizando  microcontroladores con la ayuda de distintos lenguajes de programación.En el presente trabajo se propone un controlador PID programado en Python montado en Raspberry Pi, elcual es complementado con el desarrollo de interfaces graficas aprovechando las ventajas que este lenguaje ofrece. Además, se agregan otras herramientas tales como graficas 2D que permiten la visualización de otras variables físicas como la humedad de suelo y el nivelde luz dentro del invernadero,grabación de datos de temperatura para una etapa de filtrado de la señal por medio de un filtro de Kalman, y una interfaz del control PID para que elusuario pueda manipular la temperatura dependiendo de las necesidades de la planta.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Los invernaderos caseros que nocuentan con supervisión y controladecuado,por lo generalpresentandeficienciasenel uso de recursostantode energíaeléctricacomo deagua,además,las posiblesfluctuacionesde temperaturaponenen riesgo el crecimiento y salud de laplanta y por consecuencia el cultivopuede perderse.Actualmente sepueden encontrar distintas formaspara llevar un control automático eneste tipo de invernaderos, tales comolos sistemas Scada,mediante análisisde imágenes, por medio deplataformas inteligentes basadas enIoT, etc.Es importante decir que llevara cabo estos sistemas de controlresultan tener un alto costo por lo quese necesita una alternativa de menorcosto que permita ser accesible paratodo públicoy sobre todo queestébasado en tecnología open source.

Antecedentes

En la actualidad se han desarrolladosistemas de monitoreo enfocados ainvernaderos. A continuación, semuestran algunos trabajosrelacionados con este tema.Bhandari & Csurcsia analizaron laforma adecuada de implementar elcontrolador PID en el software,mediante la implementación de laecuación en el dominio continuo deLaplace transformada en unaecuación en diferencias. Una veztransformada en una ecuación endiferencia, esta ecuación puede serimplementada para desarrollar uncontrolador PID digital para controlarcualquier sistema delazo cerrado.Vergnaudllega a la conclusión; en elcampo específico de la enseñanza delcontrol, se ha demostrado cómo laidentificación de sistemas, lasintonización de controladores PID yel sistema embebido pueden serinvestigados con éxito usando Pythonde programación. Las bibliotecas secentran esencialmente en la bibliotecagenérica Numpy, bien diseñada paragestionar la diversidad de señales eimágenes que se suelen tratar. Así,esta herramienta proporciona unaalternativa interesante a lospropietarios de soluciones ynogeneralistas como Matlab, a la vez quees más adecuada que otros lenguajesgeneralistas como Java o C.

Objetivo

1. Objetivo General

   Diseñar un sistema de monitoreo ycontrol PID de temperatura conRaspberry Pi en el entorno de Pythoncon el objetivo de adaptar cultivoshortícolas.

   Objetivos Específicos:

   Construcción del invernadero.

   Búsqueda de sensores

   Búsqueda de la planta deprueba a monitorear.

   Monitoreo de temperatura, luz yhumedad de suelo.

   Desarrollo de interfacesgraficaspor medio deTkinter.

   Implementación de graficas 2Dpara la observación de lasvariables del sistema.

   Desarrollo de interfaz delcontrolador PID.

   Obtención de lecturas detemperatura por medio de laherramientaXLSXWRITER.

   Calculo de valores desintonización para elcontroladorPIDutilizando lametodología de Ziegler-Nichols.

   Acondicionamiento delinvernadero.

   Diseño del circuito de potenciapara el actuador

Justificación

De acuerdo a los últimos avances enel diseño y automatización deinvernaderos caseros se hautilizadocomo herramientaprincipalalgunatarjeta de desarrollo,sin embargo,Raspberry Pi gracias a su versatilidadcon sensores no se ha explorado ensu totalidad en el campo del control yautomatización. Raspberry Pi por sisola tiene limitantesque dificultaintegrarsensores y laextensiónGrovePi+sirve de auxiliaral poseerpuertos analógicos, digitales y decomunicación serial (I2C). Además, elsistema Operativo con el que trabajaes de código abierto haciéndoloutilizable para todo el público.Raspbian,ensu versión Raspbian forrobotsforma parte de los SO decódigo abiertopresentandouna de lasventajas más interesantes.Surobustez, estabilidad y rapidez, sonideales para servidores y aplicacionesdistribuidas.Otra de las virtudes de Raspberry Pies que, al tratarse de un miniordenadortiene la posibilidad deagregar programaso compiladoresque hacenposible el uso de Python.Este lenguaje por su parte no se haexplotado en su totalidadypese a esohacolaboradoenel desarrollodeproyectos,sistemasde monitoreo, enel campo de la robótica, etc. Caberecalcar que el sistema operativoRaspbian for Robots ya incluye uncompilador (Thonny) por lo que solo senecesita instalar las libreríasnecesarias y comenzar a programar

Hipótesis

A través del sistema de monitoreo seespera mantener la temperatura a unnivel deseado por medio delcontrolador PID propuestomonitoreando en todo momentolahumedad de suelo y la luminosidad,variables que influyen directamente enla salud de la planta.

Método (materiales y procedimiento)

Diseño y construcción delinvernadero.Se diseñará y construirá uninvernadero de aproximadamente100x42.1×81.5 cm, la base estaráconformada por madera, tubos pvc de19mm de diámetro y lona calibre 800.

Implementación de sensores deinstrumentación.

Se implementarán sensores para elmonitoreo constante de latemperatura, luz y humedad de suelo.LafamiliaGrove provee sensoresanalógicos tales como; Grove LightSensor, Grove MoistureSensor yGrove Temperature Sensor V1.2.Cada uno de ellos tiene un rango de 0a 1024, además, para poder obtenerlas lecturas se necesitan deinstrucciones que en primera vista sonmuy similares a la forma en queArduino lo hace.

Adquisición de datos.Es durante esta etapa que se utilizaralaextensiónGrovePi+utilizandolospuertos analógicos.En el entorno deThonny se llevará a cabo elprocesamiento de datos de cadaunode ellos.

Procesamiento de las lecturas.El programa estará dividido ensubprogramas; el script principalmostrara las lecturas que se estánobtenido además de proveer alusuario un menú para poder acceder alas funciones del sistema demonitoreo.

1. La forma en que se podrá acceder alas funciones serepresentaramediante botones, esasíquealmomento de dar clic en el botón PIDse podrá configurar la temperaturadeseada, visualizar el estado del PWMasícomo el error del controlador. Aldar clic en el botóngráficosseejecutaráuna subventanadividida en cuadrantes, en cada sector se podráobservar graficas 2D conel valor delas variables físicas. El botón degrabar datospermite crear un archivoExcel en donde seguardarátanto lamarcade tiempo como la lectura de latemperaturay finalmente el botón decerrar que pondrá fin a la ejecución delsistema.

   Diseño de un controlador PID.

   Para poder llevar a cabo eldesarrollodel controlador, se determinó usar elmétodo de sintonización de señalesde Ziegler Nicholscon el fin de hallarlos parámetrosadecuados(controlproporcional, integral y derivativo).

   Serealizaráelmétodo 1delprocedimientoexperimental de ZieglerNichols al no conocer el modelo de laplanta (Temperatura del invernadero).Dicho método consiste en obtener larespuesta del procesomediante datosexperimentales, en donde sedejarátrabajando unalamparácerámicaemisorade calor en un lapso de 8horas, el sensor Grove TemperatureSensor V1.2captura valores cada 2segundos y al finalizar la grabación pormedio de la herramienta de la interfazencontrarel valor estable del sistemalograndoobtener la curva derespuesta (sigmoidal).Posteriormentesetraza unarectatangente en el puntode inflexión tal como se puedeobservar en la imagen de la curva de respuesta.

   La variable a seguir será la detemperatura, ya que el obtenerlecturas del sensor resulta serrelativamente simple mediante el usodel armazón GrovePi+.Para poder llevar a cabo laprogramación del controlador seimplementarála formula teórica delPID enuna clase aparte para que, alcargarla al programa principal aceptelos valores P, I y D halladosanalíticamente, acote el valor de lasuma y pueda generar un pulso PWMqueponga en funcionamientoelactuador (Generador de calor)Diseño yElaboración dela Etapa dePotencia.En estaetapa se hará uso de unoptoacoplador triacpara que la señalPWM digital maneje el funcionamientodel actuador analógico (Fuente decalor).En la imagen se puede observar eldiseño del circuitoel cual consiste enutilizar un optoacoplador moc3021 yun triac BT139 principalmente. Estepermitirá utilizar la potencia del voltajede una red de 120v de acuerdo con elfuncionamiento del PWM.

Galería Método

Resultados

Al realizar las interfaces graficas enPython se pudo observarque,alejecutar el sistema de monitoreo elrendimiento de Raspberry Pi nosobrepasa el 10%en el uso delosrecursos, por lo que utilizar GrovePicomoextensiónrepresenta una granventaja. Alrecabar la información delsistemapor medio de la herramientade grabar datosse encontró un bajonivel de ruido,permitiendo obteneruna señal en buen estado para elcontrolador.La temperatura máxima que alcanzoel invernadero fue de 29° C, en base aeste dato es posible albergarcultivoshortícolasen un rango aceptable parasu crecimiento

Galería Resultados

Discusión

Al realizar la prueba experimental dela temperatura del invernadero sepudieron percibir ligeras fluctuaciones,tal como se puede observar en laimagen8.

Por lo que al momento de obtener losvalores de sintonización se necesitaríarealizar ajustes finos de maneraempírica.Anteriormente se había mencionadoque el sensor no presentaba unnivelde ruido alto, aunque al visualizar lacurva resultante experimental esnecesario recurrir a un filtro digital.

Conclusiones

Este proyecto trata sobre la automatización de un invernadero doméstico utilizando programación Raspberry Pi y  Python. Mediante la implementación de un controlador PID y el monitoreo de variables como  temperatura, humedad del suelo y luz, es posible crear un sistema flexible y económico para el cultivo de cultivos hortícolas en un ambiente controlado. Las principales conclusiones extraídas de este trabajo se resumen a continuación:

Versatilidad de Raspberry Pi:

Raspberry Pi  ha demostrado ser una plataforma adecuada para proyectos de automatización, ya que ofrece una integración eficiente de  sensores y controladores. Su sistema operativo de código abierto Raspbian proporciona un entorno estable y potente para aplicaciones distribuidas.

Utilice Python como lenguaje de programación:

Python fue una buena elección  para desarrollar este proyecto, ya que permitió una implementación eficiente de interfaces gráficas,  procesamiento de datos de sensores y  programación  de controladores PID. La comunidad  Python y la disponibilidad de bibliotecas han hecho que este proceso sea mucho más fácil.

Controlador PID:

La implementación de un controlador PID ha demostrado ser eficaz para mantener las temperaturas del invernadero en los niveles deseados. A pesar de las fluctuaciones en la señal de temperatura, el controlador aún puede ajustar el funcionamiento del actuador (fuente de calor) para mantener un rango  de temperatura aceptable.

Fluctuación de señal:

Se observaron ligeras fluctuaciones en la señal de temperatura, lo que indica la necesidad de ajustar la configuración del controlador. Esto se puede lograr de forma experimental o aplicando filtros digitales para mejorar la calidad de la señal.  Potencial de mejora:

El proyecto podría mejorarse aún más considerando la integración de otros sensores, como los relacionados con la calidad del aire o el riego automatizado. Además, añadir un sistema de aviso o notificación a los usuarios en caso de incidencia puede aumentar la eficacia del sistema de seguimiento y control.

Bibliografía

Bhandari, P. & Csurcsia, P. Z. (2022, agosto). Digital implementation of the PID controller. Software Impacts, Belgium, ELSEVIER.

Vergnaud, A. (s. f.). Python based internet tools in control education, France, ELSEVIER.

Flores Cruz, M., & Victoria García, M. A. (2021). Innovación y soluciones industriales (1ra Edición). RED IBEROAMERICANA DE ACADEMIAS DE INVESTIGACIÓN A.C. http://redibai-myd.org/portal/wp-content/uploads/2021/10/d1-reducido.pdf#page=78

Benjamin C. Kuo, (1996). Sistemas de Control Automático. 7ma Edición. Prentice Hall Hispanoamericana S.A.

Ogata, K. (2003). Ingeniería de control moderna. 4ta Edición. Pearson Educación.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography