Resumen

El agua es un insumo fundamental para la producción agrícola. El riego consiste en aportar agua a los cultivos por medio del suelo para satisfacer sus necesidades hídricas que no fueron cubiertas mediante la precipitación o bien para incrementar la producción agrícola.

Debido al crecimiento demográfico, la urbanización y el cambio climático, se espera que aumente la competencia por los recursos hídricos, lo que tendrá un impacto particular en la agricultura. Las proyecciones indican que para 2050 la población del planeta superará los 10,000 millones de habitantes y por lo tanto la producción agrícola deberá aumentar aproximadamente un 70 %.

El Internet de las cosas abrió las puertas a una nueva dimensión en los sistemas y tecnologías de comunicación ya existentes, por lo que, al unirlo con los sistemas de riego, es posible automatizarlos.

Las ventajas de utilizar el riego automático son:  Fácil instalación, compatibilidad con emisores, ahorra tiempo y esfuerzo, mejor gestión del uso del agua, control de la frecuencia de riego, simplicidad, riego programado y mantenimiento fácil.

Al unir dispositivos disponibles a un costo razonable, se puede activar el riego desde cualquier sitio con solo tener un Smartphone y una app compatible, por lo que podemos concluir que innovamos permitiendo ahorrar agua, aprovechar mejor los horarios para realizar el riego y obteniendo mejores cosechas.

Sin lugar a dudas, el agua es el líquido de la vida; sin éste líquido no sería posible nuestra existencia en el planeta tierra, hay que aprovecharla al máximo y cuidarla.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En la actualidad hay muchos elementos tecnológicos como aplicaciones y dispositivos que nos permiten activar de forma remota diversos dispositivos conectados a Internet. Por lo tanto, si unimos cada uno de los elementos de tecnología disponibles junto a los elementos de un sistema de riego podremos activarlo de manera remota.

Antecedentes

La agricultura de riego consiste en el suministro de las necesarias cantidades de agua a los cultivos mediante diversos métodos artificiales de riego. Este tipo de agricultura requiere inversiones de dinero y una cuidada infraestructura hídrica: canales, acueductos, aspersores, estanques, etc., que exigen, a su vez, un desarrollo técnico avanzado.

Un sistema de riego son las instalaciones técnicas que se necesitan para la gestión de las tierras cultivables mediante el riego.

Según el tipo de riego se identifican los siguientes sistemas de riego:

1. Riego por superficie o por gravedad

Es un método que engloba gran número de variantes o sistemas diferentes. Dentro de los más usados destacan el riego por surcos, el riego por tablares y el riego por fajas.

2. Riego por aspersión

Es un método de riego automatizado que utiliza mecanismos de presurización del agua para generar el riego. Se dividen en sistemas estacionarios o de desplazamiento continuo.

3. Riego localizado

Es un método que suministra agua a presión en forma de gotas que directamente acceden a la zona radicular de cada planta. Se diferencian cuatro categorías diferentes de riego localizado:

Riego por goteo: se aplica el agua en la superficie del suelo a través de unos pequeños orificios o goteros.

Microaspersión: se aplica el agua como en aspersión, pero las áreas regadas son pequeñas y localizadas.

Riego a chorros: se aplican chorros de agua sobre pequeñas balsillas en el suelo, adyacentes a cada árbol.

Riego subsuperficial: se aplica agua en ramales que se sitúan por debajo de la superficie del suelo.

4. Riego subterráneo

Es un método que utiliza dos posibles vías para el riego. La primera es humidificando el suelo por medio de humidificadores artificiales colocados debajo de la planta o a través del control de los niveles freáticos donde se mantiene la humedad del terreno.

En México el 76% del agua que se consume anualmente se destina a la agricultura, pero solo para regar el 29% de la superficie agrícola, y hay que considerar que de esa superficie de riego alrededor del 80% se irriga mediante riego por gravedad, un método que presenta una elevada ineficiencia en el uso del agua. A nivel mundial la situación es similar, con 77% de la superficie de riego utilizando riego por gravedad, y solamente 17% con microaspersión.

¿Qué es una automatización de sistemas de riego?

Consiste en una forma automatizada en el sistema de riego para proveer de agua a los cultivos, puede emplearse por medio de la aspersión o el goteo. También los hay que combinan tanto el goteo como la aspersión.

En otras palabras, el sistema de riego automatizado se encarga de controlar la distribución de agua. Con este sistema automatizado puede escogerse la cantidad, el horario, la ubicación y la frecuencia del riego. Convirtiéndose así en la opción más productiva y cómoda al momento de regar, ya que mantiene sanos y verdes el césped, las plantas y las plantaciones; permitiéndonos ahorrar tiempo y esfuerzo.

Actualmente hay muchas técnicas y es que los sistemas de riego automatizados están marcando tendencia debido a la gran cantidad de beneficios que poseen.

Estos sistemas actualmente representan un gran aliado para los agricultores, sus cultivos y cosechas. Esta tecnología está evolucionando, incorporando en sus innovaciones novedades cada vez más eficientes.

Ventajas de utilizar el Riego Automático:

1. Fácil instalación.

El sistema de riego automático se instala de manera sencilla en cualquier tipo de terreno, aunque requiere de un profesional especializado en la materia, que sepa de cómo instalarlo para un riego adecuado.

2. Compatibilidad con emisores de cualquier tipo.

Es decir, se puede emplear un sistema de riego automatizado tanto con aspersores, microaspersores, goteo, difusores, etc. Su compatibilidad, lo hacen apto para todos ellos.

3. Ahorra tiempo y esfuerzo.

Una de las grandes ventajas es que no es necesario ocuparse personalmente de realizar el riego ya que este método de riego lo hace de manera automática.

4. Presentan una mejor gestión del uso del agua durante el riego y lo distribuyen de manera más uniforme.

De hecho, los datos indican que gracias a este sistema se consigue una disminución en el consumo de agua del 30 al 40%.

5. Control de la frecuencia de riego.

Gracias a este sistema, se puede tener el completo control en todo momento de la frecuencia de riego, evitando posibles pérdidas innecesarias o momentos no adecuados para su realización.

6. Facilidad del uso del sistema.

Este sistema automatizado se maneja tan fácilmente que se puede configurar sin problemas, permitiendo también modificar y hacer cualquier cambio que se considere, ya sea por el estado de los cultivos o en función a diferentes momentos.

7. Riego programado.

Debido a la integración de programadores que activan y desactivan automáticamente el sistema de riego, aprovechando así los mejores momentos del día para realizar el riego.

8. Mantenimiento fácil.

Aunque son diversos los elementos que componen un sistema de riego automático, su mantenimiento es sencillo y no supone demasiados recursos de tiempo o económicos.

¿Qué es IoT?

El internet de las cosas puede crear una conexión o red entre diferentes dispositivos, compartiendo información y almacenarla si se desea en las diferentes bases de datos creadas, para tener un control y acceso a la información desde cualquier parte del mundo, únicamente se debe contar con un dispositivo con acceso a internet.

Componentes o elementos de un entorno IoT:

El Internet de las cosas abrió las puertas a una nueva dimensión en los sistemas y tecnologías de comunicación ya existentes, se tiene como objetivo tener comunicación en cualquier momento, lugar y disponibilidad en tiempo real a la información suministrada por otros dispositivos. La incorporación de esta nueva dimensión ha permitido la creación miles de funcionalidades y usos a objetos que se utilizaban en la vida cotidiana. Esto hizo posible la monitorización constante de objetos, dispositivos, lugares, entre otros.

Tecnologías de comunicación inalámbrica.

Las comunicaciones inalámbricas son aquellas comunicaciones entre dispositivos o entre personas que intercambian información haciendo uso del espectro electromagnético.

Redes personales inalámbricas (WPAN), Las WPAN tienen limitación en cuanto a alcance: los dispositivos que intentan comunicarse deben estar separados por una distancia muy pequeña. Normalmente, se acepta como límite el espacio de una habitación.

Las tecnologías para comunicación inalámbrica han llegado de manera progresiva a nuestra cotidianidad con el fin de hacer las comunicaciones más cómodas y más fáciles de utilizar: La tecnología Bluetooth permite conectar una impresora y un computador sin necesidad de ningún tipo de conexión física, siempre que estén a una distancia no superior a diez metros; mediante la tecnología Wi-Fi la distancia puede ser máximo de cien metros.

Sistemas de control automático.

Un sistema de control se refiere a la interconexión de distintos componentes que proporcionan una respuesta y una acción deseada. El principal objetivo de los sistemas de control y de regulación automática es, a partir del estudio de un proceso, determinar ciertos parámetros a partir de los cuales se realizan ciertas acciones para lograr resultados esperados. En los circuitos de control normalmente se tiene una entrada, un valor de referencia el cual es el valor deseado y a partir de las necesidades se ejecuta una acción esperada y programada.

Objetivo

Activar y desactivar el funcionamiento de un sistema de riego para un cultivo de manera remota.

Justificación

Elegimos este proyecto porque cada vez hay más elementos de tecnología que sabiendo utilizarlos podemos unirlos para ser más eficientes sin necesidad de estar en el lugar físicamente, aprovechar el tiempo en realizar otras actividades y contribuir al cuidado del agua.

Hipótesis

Si tomamos un sistema de riego que funciona manualmente y añadimos dispositivos que se conecten a internet entonces podremos activar el sistema de riego de manera remota desde un celular.

Método (materiales y procedimiento)

El presente trabajo se realizó bajo la metodología de investigación documental seguida de la investigación experimental, en la cual se realizó un diseño del sistema de control y automatización que incluye los siguientes pasos.

• Seleccionar los diferentes componentes del sistema, sensores, actuadores, unidad de control, módulos de potencia y comunicación, teniendo en cuenta criterios técnicos y económicos.
• Diseñar planos eléctricos, hidráulicos e interfaz de usuario.
• Definir un diagrama de flujo del sistema, que describa su funcionamiento.

Implementación prototipo.

• Caracterizar sensores y actuadores en una maqueta.
• Integrar los diferentes módulos del sistema, tanto hidráulicos como electrónicos.
• Programar la unidad de control.
• Realizar las simulaciones correspondientes para evidenciar el correcto funcionamiento del sistema.

Información del Terreno.

Para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas al terreno de cultivo, con el fin de analizar el área de trabajo, encontrando los siguientes datos:

Ubicación del terreno: Diez de abril, Durango.

Dimensiones del terreno:

Figura 1. Dimensiones del terreno de cultivo: 1,600mts.

Cultivo:         Aguacate

Distribución del cultivo:

Figura 2. Ubicación de los árboles de aguacate y el pozo.

En total en el terreno se sembraron 30 árboles de aguacate.

El terreno cuenta con 1 pozo de agua y desde ahí se extrae el agua para el riego.

Diseño Hidráulico:

Figura 3. Muestra distribución del agua a cada árbol.

Se implementó un tipo de sistema de riego por goteo debido a las ventajas que este tipo de sistema presenta con las siguientes características:

• 6 ramales de riego con tubería PVC para distribución de agua a los arbolitos.
• Tubería de PVC de ½ pulgada y conectores.
• 1 ramal principal para distribución del tinaco a los ramales de riego.
• 1 pozo de agua.
• 1 tinaco de 800 Litros para almacenar agua.
• 1 bomba presurizadora para extracción del agua en el pozo.
• 1 centro de carga para activar la bomba presurizadora.

El sistema hidráulico de riego, ya se encontraba diseñado y funcional para regar los árboles de aguacate, sin embargo, todo era de forma manual, es decir, se tenía que estar al pendiente de cada ramal para abrir y cerrar el paso del agua iniciando por el tinaco y después en cada ramal, también se debía estar pendiente del tiempo de riego en cada ramal; por otro lado, también había que estar pendiente del nivel del tinaco antes de iniciar con el riego, durante el riego y al finalizar el riego para activar la bomba presurizadora y subir agua del pozo al tinaco y las tuberías no se quedaran sin agua.

Diseño del sistema de control de riego automático.

1. Centro de carga:

Es un dispositivo que intercepta y mantiene energía eléctrica. Está diseñado para controlar la distribución y asegurar la cantidad correcta de alimentación a una instalación eléctrica o a una gran variedad de circuitos individuales.

2. Bomba sumergible:

Está compuesta de un conjunto de impulsores que funcionan con el principio de energía centrífuga y elevan el agua hacia la superficie.

3. Bomba presurizadora:

Es un dispositivo diseñado para aumentar la presión del agua en un sistema de suministro. Su función principal es garantizar un flujo de agua constante y una presión adecuada en grifos y otros dispositivos que utilizan agua.

4. PLC: (Controlador Lógico Progamable)

Es un dispositivo electrónico que se programa para realizar acciones de control automáticamente, en otras palabras, es un cerebro que activa componentes de maquinarias para ejecutar tareas que pudieran ser peligrosas para el ser humano o muy lentas o imperfectas.

5. WiFi Smart Switch

Es un interruptor inteligente básico que permite controlar los dispositivos eléctricos de forma remota y programar rutinas automáticas, brindando comodidad y eficiencia.

Se instala, se conecta directamente a la red WiFi existente y puede controlarse a través de aplicaciones móviles, por lo que se puede controlar desde cualquier lugar.

6. Electroválvulas

Las electroválvulas son dispositivos que responden a pulsos eléctricos. Una electroválvula se define como una válvula electromecánica empleada generalmente para controlar el caudal de un líquido o un gas.

Las electroválvulas son más fáciles de controlar mediante programas de software. Es ideal para la automatización industrial.

Aplicación Tuya Smart.

Tuya Smart es una aplicación móvil desarrollada por Tuya Inc., diseñada para ayudar a los usuarios a controlar y administrar sus dispositivos inteligentes desde una única interfaz unificada. La aplicación Tuya Smart está disponible en las plataformas iOS y Android. Admite varios dispositivos inteligentes.

Su funcionamiento está basado en la gestión de dispositivos inteligentes, proporcionando un control total y remoto, además de configurar escenarios predeterminados que aumentan la usabilidad y calidad de la APP, por lo que proporciona una solución integral de inteligencia artificial de Internet de las cosas (IoT).

Investigación Experimental (maqueta de demostración).

Se realizó una maqueta para demostrar el funcionamiento de las principales partes involucradas en la automatización de un sistema de riego.

En este caso no podemos simular el pozo con agua, ni las bombas sumergible y presurizadora, sin embargo, si pudimos simular el tinaco y por tanto el riego será realizado por gravedad.

Imágenes:

1. Compra de materiales
2. Armado de Base
3. Armado de tubería
4. Colocación de tinaco y electroválvulas

Galería Método

Resultados

Con la correcta instalación de cada uno de los componentes físicos en los lugares claves del sistema de riego, la correcta configuración de los dispositivos PLC, WiFi Smart Switch las electroválvulas y la App Tuya Smart, se logró activar el sistema de riego a distancia.

Se realizó una programación del dispositivo PLC para activar el riego por un tiempo de 5 minutos por cada ramal, se logra regar todo el cultivo sin exceder los 40 minutos.

El riego se realiza por las tardes para aprovechar mejor las condiciones climáticas y el agua, así cada árbol se encuentra correctamente hidratado.

También al realizar la maqueta nos dimos cuenta que este sistema puede ser implementado en un jardín y en azoteas verdes.

Galería Resultados

Discusión

En México, proponemos que el gobierno local y federal, debería buscar alternativas para promover este tipo de proyecto de innovación no solo con apoyo económico, sino con cursos de capacitación y/o centros de intercambio de conocimientos, talleres de actualización para los agricultores y personas del campo, y así volver más productivas las tierras sin importar la ubicación y clima.

Conclusiones

Gracias a la tecnología actual, se puede activar diversos dispositivos desde cualquier sitio con solo tener un Smartphone y una app compatible.

Específicamente la automatización del sistema de riego, es de vital importancia debido a las siguientes consideraciones:

• Ahorro de tiempo y esfuerzo.
• Ahorro económico al no tener una persona encargada del riego en vivo.
• Se define la cantidad de agua, tiempo de riego y frecuencia de riego desde la comodidad de un Smartphone.
• Permite ahorrar agua y aprovechar mejor los horarios para realizar el riego, ya que se puede regar en diferentes horarios y varias veces dependiendo el tipo de cultivo, terreno y clima.
• Al aprovechar mejor los recursos naturales se obtienen mejores cosechas.
• Conjuntar varias tecnologías con lo ya existente, da como resultado una innovación.

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Summary

Water is a fundamental input for agricultural production. Irrigation consists of providing water to crops through the soil to meet their water needs that were not met by rainfall or to increase agricultural production.

Due to population growth, urbanization and climate change, competition for water resources is expected to increase, which will have a particular impact on agriculture. Projections indicate that by 2050 the world’s population will exceed 10 billion and therefore agricultural production will need to increase by approximately 70%.

The Internet of Things opened the door to a new dimension in existing communication systems and technologies, so by joining it with irrigation systems, it is possible to automate them.

The advantages of using automatic irrigation are: Easy installation, devices compatibility, saves time and effort, better water usage management, irrigation frequency control, simplicity, scheduled watering, and easy maintenance.

By combining devices available at a reasonable cost, irrigation can be activated from anywhere just by having a smartphone and a compatible app, so we can conclude that we innovate which allows us to save water, make better use of the schedules to carry out irrigation and obtain better harvests.

Without a doubt, water is the liquid of life; Without this liquid our existence on planet earth would not be possible, we must make the most of it and take care of it.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography