humedad relativa

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO “Enseñar la explotación de la tierra, no la del hombre” 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AGRÍCOLA

SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO

TAREA: SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO DE LA HUMEDAD DE UN INVERNADERO

PROFESOR: EUGENIO ROMANTCHIK K.

PRESENTAN: KEILA JERÓNIMO JIMÉNEZ JACINTO GARCÍA ARISTA

GRADO/GRUPO: 6° 1 “A”

9 de Febrero del 2012, Chapingo, México 

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INDICE I.

INTRODUCCION ................................................ ..................................................... ............ 3

II.

 ANTECEDENTES DE LOS SCA EN UN INVERNADERO. .................................................. .......... 6

III.

SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE HUMEDAD PARA UN INVERNADERO ................ 7 

DESCRIPCION DEL INVERNADERO ................................................................................................... 7 1.

HUMEDAD RELATIVA DENTRO DE UN INVERNADERO ........................................................ 7

2.

NEBULIZADOR ..................................................................................................................... 8

3.

SENSORES DE HUMEDAD .................................................................................................... 9

4.

PIC 16F877 ......................................................................................................................... 10

EJEMPLO DEL SCA EN UN INVERNADERO ..................................................................................... 10 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA .................................................................................................... 11 ALGORITMO .................................................................................................................................. 12 OBSERVACIONES ............................................................................... Error! Bookmark not defined.

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I.

INTRODUCCION

En este trabajo nuestro objetivo principal es controlar de forma precisa la humedad, con la ayuda de los sistemas de control automático como son los sensores y actuadores. Con la intensión de lograr habientes artificiales e ideales para el buen desarrollo de algunos cultivos. La automatización y las optimizaciones de consumos de energía son inversiones que se recuperan en un plazo determinado, con beneficios a las trabajadores, quienes antes estaban sometidas a labores productivas bastante desfavorables como; el trabajar a altas temperaturas y humedad, alto ruido ambiental y con riesgos de accidentes, y al incorporar estas nuevas tecnologías, pueden ser reubicadas en la planta ayudando en temas que complementan las cadenas de valor. Los invernaderos son muy utilizados para cultivar hortalizas o flores, sin embargo la automatización de invernaderos en México es muy reducida, los pocos proyectos de automatización han llevado a procesos más eficientes. Por eso es necesario conocer las características de cada uno de los sistemas que se usan en un invernadero. En la actualidad, la eficiencia y la funcionalidad juegan un papel importante en la administración de un invernadero. La eficiencia es para condicionar la humedad relativa, determinada de acuerdo con las exigencias fisiológicas del cultivo. La funcionalidad es el conjunto de requisitos que permiten la mejor utilización del invernadero como sistema productivo. Esta automatización permite interactuar con el invernadero sin necesidad de operar manualmente los diferentes actuadores y leer los sensores en terreno.Hoy en día podemos realizar todo tipo de mediciones y control desde un PC el cual registra y procesa toda la información. Mediante un software que permita visualizar, monitorear y controlar el proceso en el invernadero, en menor tiempo, con el mínimo de pérdidas en la obtención de datos y método de fácil instalación, se diseña un sistema el cual permite el monitoreo y control total de variables ambientales dentro del invernadero, este esta proyectado para detectar las condiciones humedad relativa. Hay aplicaciones que requieren obtener información del grado de concentración de agua que hay en el ambiente o en cierto material. Por ejemplo, en algunos procesos las moléculas de agua pueden cambiar las características de los materiales, como el peso, la conductividad o las dimensiones. En varias aplicaciones agrícolas es necesario conocer el grado de humedad del suelo, con el fin de manejar un sistema de riego adecuado.

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La humedad es un fenómeno natural, que se presenta a nivel molecular y se encuentra básicamente relacionada con la cantidad de moléculas de agua presentes en una determinada sustancia, la cual puede estar en estado sólido o gaseoso. La humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire. La humedad relativa es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en perfectas condiciones. Existe una relación inversa de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por lo tanto disminuye la humedad relativa. La humedad alta favorece a la transmisión de plagas, enfermedades y abortos florales. La humedad baja podría secar las plantas. El ciclo de trabajo inicia en el sensor de humedad. Este nos entrega un parámetro, el cual lo vamos a condicionar a un determinado número lógico, que a su vez será interpretado por el CPU como condición de encendido o apagado del sistema de bombeo, acortar o alargar el periodo de riego o activar el sistema de ventilación. Sistema de Control del Invernadero: Para evitar una humedad excesiva, debemos de regar a primeras horas del día y suspender el riego en el caso de tener la humedad relativa alta. Sistema de riego programado. Si el grado de humedad es demasiado bajo, vaporizando las plantas de forma periódica. Sensores de humedad activan el sistema de riego para elevar a la humedad. Días nublados y fríos programación de riego cortó. Ventilación lateral, controlada por software y sensores. 

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Los controladores de humedad son elementos que miden la humedad relativa por lo general son mecánicos o electrónicos. Los elementos mecánicos se expanden y contraen a medida que cambia el nivel de humedad, se conocen como higroscópicos y el elemento más utilizado es el naylon, puesto que a medida que cambia el contenido de humedad en el aire circundante el naylon absorbe o libera la humedad (expandiéndose o contrayéndose). El movimiento del elemento lo opera el mecanismo del controlador. Mientras que la medición electrónica es rápida y precisa, por lo que un sensor electrónico de humedad responde al cambio de humedad, si se cambia la resistencia o capacitancia del elemento. El sensor de humedad es un dispositivo que detecta fenómenos físicos (cantidad de humedad). Aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento. Conectados a un computador de modo que los valores censados puedan ser leídos por un humano. Encargado de medir la humedad relativa del ambiente, cuyos datos se usaran para suspender el sistema de riego si sus valores son muy altos y de activar el sistema de vaporización en caso que sus valores sean

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muy bajos. Entre las múltiples aplicaciones del sensor de humedad encontramos: los sistemas de control, aire acondicionado, humectantes, secadores, automotores, VCR y electrodomésticos. Excelente para ser utilizado con microcontroladores y Microchip. Las mediciones de humedad relativa pueden ser hechas por sensores de humedad basados en: psicometría, deformación, resistivos, capacitivos y algunos otros tipos para aplicaciones más específicas. Los sensores de humedad ambiente deben poseer una exactitud de medición de por lo menos 3% de HR en el rango de medición de humedad 10 a 90 % para una temperatura de aire de 20 °C. Los actuadores son los dispositivos al que el controlador ordena funcionar para mantener a la variable en los límites deseados (ventilación, riego). El Controlador es un sistema que compara el valor actual de la variable a controlar con el valor deseado de ésta y convierte la energía eléctrica o neumática en una acción mecánica, ya sea una acción giratoria o lineal. Este produce un cambio en la variable controlada, operando diversos dispositivos de control final, tales como válvulas y compuertas. Así que, toma las decisiones oportunas para que la diferencia entre estos dos valores sea nula (Computador y herramienta informática que controlen las variaciones de humedad). Al controlador deben llegar las señales de todos los sensores que miden las variables anteriores. Para eso es necesario disponer de un multiplexor que recoja todas las señales para que el controlador pueda trabajar con ellas. Una vez que el controlador recibe las señales procedentes de los sensores que le informan sobre el estado de las variables, comprueba que éstas se encuentren en los límites permitidos y da las ordenes oportunas a los actuadores para alcanzar el estado global deseado. Si una de las variables no se encuentra dentro de su intervalo permitido da la orden al actuador correspondiente para que actúe en consecuencia. Para activar un actuador se utilizan los relés, que son como interruptores que cierran los circuitos cuya misión es el arranque de estos actuadores. Debido a que el control del clima de un invernadero se compone de varios lazos de control, necesitando una gran capacidad de cálculo y decisión, se suele utilizar un computador como controlador del sistema. El control de un invernadero conlleva la conexión de los sensores y actuadores del mismo a los sistemas de control, lo cual requiere un cableado que es extenso y complejo en el sistema independiente tradicional, debido a la gran cantidad de sensores que se suelen utilizar (de humedad). Si además el invernadero se encuentra alejado de la ubicación de los sistemas de control o el invernadero es grande, las longitudes de las líneas aumentan agravando problemas como el incremento de la sensibilidad a interferencias electromagnéticas, degradación de las señales eléctricas, mayor coste de mantenimiento, etc.

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II.  ANTECEDENTES DE LOS SCA EN UN INVERNADERO. A lo largo de la historia, las trampas que tendían para cazar en muchos lugares en los que con el movimiento de un cordón se actuaban alguna especie trampa que dejaba inmovilizado el animal. Esto es tan sólo uno de los sensores más antiguos y conforme fueron pasando los tiempos se innovaron hasta estar a la vanguardia. Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controladas por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales, algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas. La Revolución Industrial es un periodo histórico comprendido entre la segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX, en el que el Reino Unido y el resto de Europa, sufren el mayor conjunto de transformaciones económicas, tecnológicas y culturales de la historia de la humanidad. Todos estos cambios trajeron consigo consecuencias tales como: El uso de nuevas fuentes energéticas, como el carbón y el vapor. En esta etapa se utilizaron muchas válvulas para el paso del vapor (regulador de watt). La utilización de una válvula que se cierra a la hora que el agua de una cisterna llega a su límite (no necesita electricidad), por lo que detecta el nivel del agua con un flotador y actuó la válvula para cerrarse y así evitar que se saliera el agua. Es difícil saber exactamente cuando se creó el primer sensor y/o transductor, tampoco quien los creó puesto que se empezó a usar hace mucho tiempo (sensor mecánico). Pero se tiene como el primer sensor inductivo que se construyó en 1958, lo elaboró la marca Pepperl Fuchs, desde luego que en la actualidad tiene muchas modificaciones según su utilización o uso. En este caso se desea regular la humedad (regulando a la vez el vapor y el riego). Existe gran variedad de instrumentos que son utilizados para la medición de humedad, desde los higrómetros, higrotermómetros, meteorómetros, así como también diferentes métodos que van desde primarios hasta secundarios incluyendo a los basados en métodos fundamentales. Emplean diferentes técnicas para obtención de la humedad relativa, ya sea por comparación, por cálculos, por tablas, etc.

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III.

SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE HUMEDAD PARA UN INVERNADERO

DESCRIPCION DEL INVERNADERO Un invernadero es una estructura cerrada cubierta por materiales transparentes, dentro del cual se obtienen condiciones artificiales favorables para producir cultivos agrícolas, se consigue un aislamiento tanto térmico como de agentes contaminantes de cultivos. Sin embargo es necesario que estos invernaderos cuenten con dispositivos que permiten controlar y modificar las condiciones del microclima generado. Al finalizar el proyecto se contara con un sistema Tecnificado y Automatizado de un invernadero, este contara con sistemas de calefacción, ventilación y riego. Que permitirá proteger a los cultivos de factores climáticos como heladas, granizo, sequías, excesos de viento, y demás factores que pudieran perjudicar un cultivo. Con un invernadero así se podrá cultivar plantas todo el año en condiciones óptimas. Permitiendo producir productos agrícolas de excelente calidad, rentables (debido a que se producirá todo el año) y acordes con las exigencias de los mercados.

1. HUMEDAD RELATIVA DENTRO DE UN INVERNADERO

La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire. La humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, en relación con la máxima que sería capaz de contener a la misma temperatura. Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en perfectas condiciones: tomate, pimiento y berenjena les gusta una HR=50-60%; melón entre el 60-70%; calabacín con 65-80% y pepino entre el 70-90%. La HR del aire es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Cuando la HR es excesiva las plantas reducen la transpiración y disminuyen su crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor desarrollo de enfermedades criptogámicas. Por el contrario, si es muy baja, las plantas transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, además de los comunes problemas de mal cuaje. Para que la HR se encuentre lo más cerca posible del óptimo el agricultor debe ayudarse del higrómetro. El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la temperatura y evitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con

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riegos, llenando canalillas o balsetas de agua, pulverizando agua en el ambiente, ventilado y sombreado. La ventilación cenital en invernaderos con anchura superior a 40 m es muy recomendable, tanto para el control de la temperatura como de la HR. Relación inversa con la temperatura: 

A mayor temperatura, menor HR porque aumenta la capacidad de contener vapor de agua HR baja, plantas transpiran en exceso y llegando a deshidratarse y reduce la fertilidad. Se corrige con riegos, ventilando y sombreando.

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A menor temperatura, mayor HR, con la HR excesiva, las plantas reducen la transpiración y crecimiento (abortos florales y desarrollo de enfermedades). Se reduce con ventilación, aumentando la temperatura y evitando el exceso de humedad.

2. NEBULIZADOR

Los nebulizadores son aparatos que crean una niebla artificial que mantiene y aumenta la humedad. Se clasifican según el tamaño de la partícula que suministran, lo cual está relacionado con las características del emisor y la presión a que trabaja. 

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Nebulizador a baja presión: Emplean emisores de plástico. Se trabaja con presiones de 1 a 5 atmosferas. Se obtiene una niebla a bajo coste, que en muchos casos es suficiente para el enraizamiento de esquejes, aunque la uniformidad de distribución no es muy grande. Nebulización a media presión: Se utiliza emisores con materiales más sólidos para resistir presiones entre 4 y 15 atmosferas y dan un diámetro de gota entre 130 y 150 micras. Nebulización de alta presión: (fog-system). Recurrir a presiones entre 50 y 80 atmosferas. Requieren unos emisores construidos con total precisión para alcanzar tamaños de partícula de 12 a 15 micras de diámetro. La principal característica del sistema de alta presión es que los tamaños de partículas que se consiguen, permiten mantenerse en suspensión en el aire el tiempo suficiente para que, si la temperatura es elevada, se evaporen sin caer al suelo o mesa de cultivo, evitando problemas de pudriciones, además de bajar la temperatura al evaporarse. Otros sistemas de niebla: es el que mezcla en los emisores aire y agua a distinta presión.

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En todos los casos, es fundamental la ausencia de sales y sólidos en suspensión, por lo que es aconsejable disponer de sistemas de desionizacion del agua, filtros de precisión, etc. A fin de que no se obstruyan los emisores ni se depositen sales sobre las hojas. 

Generadores de aire húmedo: son aparatos que actúan mediante ventiladores de la misma forma que un calefactor de aire pero introduciendo aire frio y húmedo y distribuyéndolo. El aire que entra del exterior se enfría en el interior del aparato por medio de un chorro continuo de agua que cae sobre las paredes de este aumentando la humedad y bajando su temperatura.

3. SENSORES DE HUMEDAD

Con la sonda de humedad (RTF-5 de la casa DGT-Voltamic). Trabaja a temperatura húmeda, es un psicrómetro de dos ampollas una húmeda y otra seca, siendo su funcionamiento el de que el aire debe pasar por la empolla húmeda haciendo que el agua se evapore. La temperatura de la ampolla húmeda varia con la húmeda relativa con lo que se produce más evaporación cuando la humedad relativa decrece, por lo que cuando la humedad baja, la ampolla húmeda comienza a enfriarse. La diferencia entre las dos temperaturas de las ampollas refleja la humedad relativa. Estos valores se envían al PC con el software. Para modificar la humedad del invernadero el microcontrolador recibirá valores de tensión que indican el porcentaje de humedad relativa, en caso de insuficiencia de humedad por el microcontrolador manda una señal a una etapa de potencia para la activación de electro válvulas para realizar el riego donde este sea necesario.

Fig. 1 Diagrama esquemático y board para el sensor de humedad HS1101.

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4. PIC 16F877

El PIC recibirá las señales eléctricas provenientes de los sensores y después de procesarlas, decidirá qué acción tomar (activar o desactivar válvulas, ventiladores).

Fig. 2 diagrama para el circuito impreso del microcontrolador.

EJEMPLO DEL SCA EN UN INVERNADERO Reloj tiempo real: El reloj de tiempo real elegido es el DS1302 Dallas Semiconductor, es una memoria serial con funciones de reloj calendario. Utiliza el protocolo de comunicaciones SPI típicamente utilizado por los microcontroladores PIC. Banco de memoria: Este tiene por objetivo almacenar los datos adquiridos por los módulos de sensores y los datos de las acciones de control. Interfaz gráfica a usuario: consiste de un teclado matricial de 4 x 4 y un display LCDGRÁFICO que tiene como controlador un chip de la serie 0108, se pueden graficar líneas, texto, curvas y puntos. Interfaz de Comunicación al PC: Consiste de una interfaz según el protocolo RS232, configurado a 9600 bps, 8 bits y un bit de parada. Modulo actuador: El actuador consiste de un relé de estado sólido con TRIAC, posee una red snubber para el adecuado manejo de las cargas inductivas y tiene una capacidad de

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220v 16 Amp. Un microcontrolador PIC16f84A recibe las órdenes vía inalámbrica del módulo de control y por medio de un optoacoplador con salida de diac controla el relé de estado sólido. Modulo sensor: El dispositivo principal es un chip específico cuya referencia es SHT11 y un microcontrolador que se encarga de configurar y leer los datos de humedad relativa y temperatura. El SHT11 de la casa es un sensor integrado de humedad calibrado en fábrica con salida digital mediante un bus serie sincrono y protocolo especifico. El dispositivo también dispone de un sensor de Temperatura integrado para compensar la medida de humedad dependiendo de la temperatura, en casos extremos. Cuenta también en su interior con un calefactor para evitar condensación en el interior de la cápsula de medida para condiciones de niebla o similar donde existe condensación. Se puede alimentar con un rango de tensión continua comprendido entre 2,4 a 5V y es necesario proveer lo mas cerca posible del chip un condensador de desacoplo de 100nF entre GND y VCC. El pin DATA corresponde a la salida/entrada de datos para comandar y leer el sensor y es un pin triestado por lo que necesita de una resistencia de polarización a Vcc (push-up). SCK se utiliza para sincronizar la transmisión y no dispone de frecuencia míni ma.

Fig. 3 diagrama sensor SHT11. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Durante la fase de desarrollo del equipo se emplea un sistema de comunicaciones basado en una red de tipo maestro esclavo, como se muestra en la sig. Figura.

Fig. 4 Sistema maestro-esclavo.

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La comunicación entre el maestro y el esclavo ocurre en forma bidireccional, como es típico cada modulo esclavo es etiquetado con un numero en este caso de longitud Byte el cual debe ser único dentro de la red para evitar conflictos por colisión de datos. Tanto el comando de petición como la respuesta al comando (en caso de que exista) son transferidos. ALGORITMO Durante la fase de desarrollo del modulo de comunicaciones en particular sobre las pruebas de comunicación se observa para detectar errores. Cuando se detecta corrupción de bits en el paquete recibido simplemente decide no entregarlo a la salida, sin embargo lo incomodo es que no informa del error sucedido. Entonces desde el punto de vista del dispositivo esclavo no existe la posibilidad de saber si algún dato ha llegado corrupto, simplemente esta “sordo” para ese paquete que ha hecho perdido el transceiver.

El sistema de monitoreo y control en su primera etapa permite el registro de las variables temperatura y humedad. Se puede lograr controlar la Humedad Relativa, controlando temperatura por medio del encendido y apagado de calefactores, apertura de microaspersores de agua y apertura automática de ductos de ventilación. En el sistema de control del ambiente de invernadero se pueden programar rutinas de para regadío directo, aireación por medio de ductos de ventilación y así lograr manejar los niveles de CO2.

Fig. 4 Ciclo o procedimiento.

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IV.

MODELO MATEMÁTICO

BIBLIOGRAFÍA 

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http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/comunicaciones/Sistema_control_h umedad.pdf  http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-08-05-sensores-de-humedad.pdf 

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