ALTERNATIVAS SUSTENTABLES DE PARTICIPACIÓN COMUNITARIA PARA EL CUIDADO DEL MEDIO AMBIENTE

ALTERNATIVAS SUSTENTABLES DE PARTICIPACIÓN COMUNITARIA PARA EL CUIDADO DEL MEDIO AMBIENTE

Ramón Rivera Espinosa
Universidad Autónoma Chapingo

Volver al índice

AUTOMATIZACIÓN DE UN SIT PARA LA PRODUCCIÓN Y REPRODUCCIÓN DE ESPECIES VEGETALES


Ing. Diego Hernández Cote*
*Ingeniería en Computación,
Universidad Autónoma del Estado de México
campus Texcoco, México, México.
e-mail: quetzal.developer@gmail.com

La producción agrícola es de suma importancia en cualquier país y abarca desde la producción de frutas o vegetales, hasta la producción y reproducción de plantas en peligro de extinción. Actualmente los cultivos expuestos a la intemperie han tenido menor producción que aquellos cultivados mediante la implementación de tecnologías y sistemas específicos, que aceleran la producción y mejoran la calidad del producto al tener un entorno regulado.

El SIT es una de las técnicas empleadas para la producción de explantes y consiste en un sistema empleado para producir plantas difíciles de cultivar y de las que se necesita una mayor producción o que están en peligro de extinción, pues a partir de una hoja pueden extraerse embriones, elementos sumamente delicados que requieren de cuidados continuos y periódicos durante el día y la noche, desde el inicio de su desarrollo hasta que son capaces de resistir en invernaderos.

La automatización de un SIT y sus efectos en cuanto a mejora y aumento de producción agrícola, tiene una relación directa con el desarrollo sustentable al contribuir con la conservación de hábitats naturales mediante la reproducción de variedades en peligro de extinción.

Las condiciones climáticas actuales han complicado la producción agrícola en condiciones naturales, por lo que se han tomado medidas para mejorar y aumentar la producción vegetal. En este sentido, existen diversas técnicas como la colocación de luz artificial, la regulación de la temperatura y el bombeo de nutrientes al birreactor, para mejorar la resistencia, el crecimiento y la propagación de las especies. Cabe mencionar que el uso, control y manejo de estos elementos es complicado y requiere de la preparación del personal así como de su supervisión constante; por ello, es necesario implementar métodos de automatización que faciliten el monitoreo, control y regulación de estos elementos con el fin de mejorar y aumentar la producción vegetal.
La mayoría de estos sistemas cuentan con calefactores y luces para mantener un ambiente regulado; sin embargo, el personal no es suficiente para supervisarlo 24 horas al día, por lo que el entorno en los biorreactores puede ser inestable mientras no se encuentre bajo supervisión. En la ilustración 1 se muestra un sector de un SIT, cortesía del Colegio de Posgraduados (COLPOS).

Debido a las grandes pérdidas de cultivos y a las numerosas especies botánicas en peligro de extinción, es necesario preservar y producir el mayor número posible de
ejemplares, con la intención de mantener el material genético además de aprovechar, controlar y aumentar la producción de especies específicas. En este sentido, la automatización de un SIT, controlada por medio de un software elaborado específicamente para la automatización del sistema, proporciona al usuario la posibilidad de regular y supervisar  en tiempo real, el ambiente en el que se desarrolla el cultivo de los biorreactores. El monitoreo permite notar la pertinencia de las variables y en caso negativo modificarlas para lograr el ambiente preciso que el cultivo requiere, incrementando de esta manera la producción de plantas.
La automatización del SIT permite solucionar problemáticas relacionadas con la falta de conocimiento de los usuarios que intervienen en el sistema de inmersión temporal, así como la dificultad que representa el control y manejo de los dispositivos empleados para mantener las condiciones ambientales idóneas para la producción de cualquier cultivo, específicamente sí este se encuentra en la etapa embrionaria de su desarrollo.

Desarrollo

En el presente proyecto se utilizaron varios elementos para realizar la automatización, se implementaron herramientas y materiales de hardware así como de software para la creación y desarrollo de dispositivos y programas que llevan a cabo el funcionamiento de la automatización realizada.
En este proyecto se utilizó la plataforma de hardware libre Arduino que es una placa de hardware libre que incorpora un microcontrolador reprogramable y una serie de pines hembra (unidos internamente a las patillas de entrada y salida del microcontrolador) que permiten conectar de forma muy sencilla y cómoda diferentes sensores y actuadores.

Para llevar a cabo la automatización de SIT, fue necesario usar una placa Arduino que fue capaz de soportar todos los procesos de automatización relacionados con los dispositivos a controlar y con el software de monitoreo. Arduino ofrece distintas placas con diferentes capacidades, la necesidad de mayor memoria y más SRAM para las librerías que se integraran en el proyecto nos llevó a la opción de adquirir dos placas del modelo Arduino UNO.

La elección de la placa Arduino modelo UNO se basa en las características que se muestran a continuación:

Este modelo de Arduino, al igual que sus predecesoras, cuenta con un plug de alimentación externo de 7 V a 12 V. En la ilustración 2 se muestra la placa Arduino UNO, así como los elementos que lo componen.

Los sensores implementados en la automatización del SIT son la fotorresistencia la cual es un elemento resistivo cuya característica principal es que la magnitud de su resistencia es una función de la luz incidente, es decir, es un transductor entre la luz incidente en este y la resistencia eléctrica que presenta a la salida; por otro lado se usó un sensor de temperatura que transforman los cambios de temperatura en cambios de señales eléctricas que son procesados por un equipo electrónico o eléctrico; típicamente suele estar formado por el elemento sensor, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un material conductor de la temperatura.

Por otro lado, la iluminación es proporcionada por una tira de led RGB (Red, Green and Blue) modelo 5050 que es controlada desde Arduino. El led es un dispositivo semiconductor que emite luz con una longitud de onda monocromática específica muy bien definida cuando se polariza de forma directa, permitiendo el paso de una corriente eléctrica entre sus dos extremos. Las características de la tira de led 5050 son:

    • Alimentación de 12 V y 2 A (cada 5 metros)
    • 30 ledes por metro
    • Consumo de energía total por metro de 4.8 Watts
    • Lúmenes: 2160 Lm (en blanco)
    • Horas de vida: 50 000 horas aproximadamente
    • Tamaño de led: 5mm x 5mm

Las propiedades de la tira de led RGB 5050 son ideales para ser implementadas en la automatización del SIT, ya que ofrecen una alta iluminación, un bajo consumo eléctrico y puede ser controlado el color de luz que emite la tira, siendo que las plantas se benefician de los colores blanco, azul y rojo.

Dado que una tira de led se alimenta de 12 V y 2 A es importante el uso de una fuente eléctrica que genere el poder necesario para su activación y en el caso de necesitar más de una tira de led, que la fuente proporcione la corriente necesitada; para este proyecto se usó una fuente de poder que genera dos salidas, cada una de 12 V (regulables) y 10 A por lo que esta fuente puede soportar hasta un máximo de 10 tiras de led (50 m).

Para la activación de la bomba de vacío que realiza las inmersiones y las electroválvulas que permiten el acceso de la corriente de aire se implementaron relevadores; un relevador es un interruptor controlado por un circuito eléctrico capaz de manipular un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

En la automatización del SIT es necesario la activación de una bomba de aire así como de electroválvulas, las cuales necesitan de una cantidad de energía elevada para funcionar, por lo que fue necesario implementar relevadores con los que se les logró activar utilizando una señal de entrada mínima, los cuales permitirán el paso de la energía eléctrica a los dispositivos a partir de una señal enviada desde Arduino. Cabe mencionar que Arduino proporciona salidas a 5V, energía necesaria para encender los relevadores, a esto se le suma una señal de salida el cual los activa.

Para el desarrollo del hardware se crearon diversos módulos en el que cada uno realiza una acción en la automatización, a continuación se enlistan los módulos que se desarrollaron.

  • Monitoreo de temperatura: en este módulo se configuró el sensor de temperatura que monitorea el SIT, para su implementación en Arduino se descargó una librería especial el cual convierte el valor analógico del sensor en grados Centígrados (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (°K). En el caso de la presente investigación, el valor de la temperatura se mostrara en grados centígrados. 
  • Monitoreo de luz: la monitorización de iluminación se obtiene mediante fotorresistencias conectadas a la placa Arduino; el valor que obtienen los dispositivos es de forma análoga, por lo que se determinó un tono de iluminación para establecer cundo se considera falta de iluminación  o cuando hay demasiada luz dependiendo el caso que el usuario haya asignado a los sectores del SIT.
  • Relevadores: modulo donde se conectaron los relevadores y se aplicaron al encendido y apagado de dispositivos que interactúan con el SIT, como electroválvulas y bomba de aire.
  • Iluminación led: en este apartado se conectaron la tira de ledes a cada sector del SIT, y se le aplicaron los transistores que permiten la activación y cambios de color desde la placa Arduino.

El software de la automatización se caracteriza por llevar a cabo la mayor carga de trabajo, aprovechando los recursos que se obtienen de las computadoras actuales; gracias al poder de procesamiento de una computadora se pudo lograr la ejecución de hilos 1, partes importantes del presente software. El programa creado para el SIT contiene una GUI simple donde el usuario podrá realizar el registro de los horarios para la activación tanto de los relevadores como de la tira de led, así mismo se desarrolló una base de datos para el almacenamiento de la información, donde se registran los datos más importantes que intervienen en la automatización del SIT.
Para el tratado de la información como los horarios, el color de las luces, la duración de activación en los relevadores, los registros de temperatura y los de las fotorresistencias fue necesario implementar una base de datos en la que se pudiera guardar, modificar e inclusive eliminar información a juicio del usuario. Para el presente proyecto de investigación se decidió crear una base de datos con el gestor SQLite ya que este presenta muchas ventajas a diferencia de otros sistemas de almacenamiento de información, como lo es su portabilidad y el poco espacio de almacenamiento necesitado.

Tomando en cuenta a los usuarios, se desarrolló una interfaz en lenguaje Java fácil de usar donde se ingresa de forma manual los horarios para los bombeos, también se despliega la información necesaria de los sensores que monitorean al SIT, así como las advertencias que aparecerán en la pantalla en caso de una incorrecta temperatura o iluminación.

Para que el programa pueda ejecutarse correctamente es necesario tener conectada la palca Arduino a la computadora; Arduino se conecta a un puerto USB (por sus siglas en inglés Universal Serial Bus) y se configura como un puerto COM (también conocido como puerto de comunicación serial). Para comunicar la placa Arduino a Java  fue necesaria la descarga de una librería especial llamada RXTX el cual puede descargarse 2 gratuitamente desde internet.

El cuerpo del software se compone de varios métodos que realizan diferentes acciones, una característica principal de este programa Java es el uso de hilos que se ocupan de distintos procesos en la aplicación, llevándolos a cabo al mismo tiempo y de forma independiente entre ellos.

En el monitoreo de la temperatura, un hilo se ocupa del proceso de solicitar la información a Arduino el valor del sensor cada cinco segundos. En la ilustración 3 se muestra el diagrama de flujo donde se muestra el proceso de la temperatura; después de obtener el valor de Arduino es almacenado en la base de datos, el siguiente paso es proyectar el valor en la aplicación y después el valor se somete a una condición: si no está en el rango, se emite una notificación y pasa a esperar 5 segundos antes de repetir el proceso; si la temperatura esta en rango, el proceso pasa a la espera de 5 segundos para el reinicio del hilo de forma directa.

El monitoreo de temperatura es importante, ya que el usuario puede regularla a las necesidades que se tengan con el cultivo y puede consultar su estado para interferir o no en la alteración de la temperatura presente en el SIT.

En el caso del monitoreo de la presencia de luz, se sigue un proceso similar al de la temperatura, en la ilustración 4 se muestra el diagrama del hilo, el cual inicia obteniendo el valor de la fotorresistencia desde Arduino, posteriormente se despliega en la ventana del monitoreo de sector, a continuación se somete a condiciones, se guarda la información en la base de datos y el hilo reinicia el proceso cada 5 segundos.

Para llevar a cabo el bombeo de aire o activación de los relevadores se desarrollaron dos hilos, uno para la detección de la hora de bombeo y otro para la duración del bombeo. En la ilustración 5 se muestra el diagrama del hilo que detecta la hora del sistema y la compara con las de los horarios de bombeos de los sectores, cuando coinciden las horas, se llama al hilo de activación de relevadores; el reinicio de este proceso es de 45 segundos.

El proceso del hilo que activa los relevadores se muestra en la ilustración 6. El proceso enciende dos relevadores (uno para la bomba de aire y otro para la electroválvula) durante el periodo de tiempo en segundos que el usuario había designado al bombeo.

En la aplicación de control Java se le integró otro hilo que se encarga de realizar el cambio de iluminación en el SIT, comparando los horarios establecidos por el usuario y la hora actual, cuando las horas coinciden se cambia la iluminación y el valor del color de luz es guardado en un archivo de texto llamado “luz.txt” para reiniciar el hilo, si no coinciden los horarios el hilo se ejecuta inmediatamente. Cada vez que el hilo de iluminación reinicia se busca el valor del color de luz en el archivo “luz.txt” para reenviarlo a la placa Arduino. En la ilustración 7 se muestra el diagrama del hilo de iluminación.

Implementación y resultados

Tras el desarrollo del primer prototipo, los elementos fueron sometidos a pruebas de funcionamiento, realizando bombeos calendarizados, por lo que se comprobó el funcionamiento de los relevadores, así mismo se realizaron cambios en la iluminación, verificando que la tira de ledes encendiera y realizaran los cambios configurados; también se monitoreó los valores obtenidos por el sensor de temperatura y de las fotorresistencias, confirmando su configuración y funcionamiento.
Por otro lado, se buscó un lugar para poder aplicar el prototipo I, por lo que se acudió al COLPOS quienes nos permitieron hacer una prueba por un mes usando biorreactores reales, sin embargo fue necesario el crear una maqueta donde se colocaran los sensores y dispositivos inmersos en la automatización.

Para la implementación de la automatización se acudió al SIT del COLPOS (colegio de posgraduados) en el departamento de fitotecnia y se instaló el prototipo durante un periodo de tiempo en una maqueta donde se colocó la tira de led y 4 biorreactores (2 en cada sector) con explantes de fresa. En la ilustración 8 se muestra el prototipo montado en el SIT del COLPOS.

Se conectó una bomba de vacío de ¼ hp y dos electroválvulas, se colocaron horarios de bombeos que se diferenciaban por 6 horas y todos con una duración de
60s para cada sector, así mismo se asignó la iluminación, en el sector uno tenía 4h color azul, 6h blanco y 8h apagado, por el otro lado el sector dos se le programó 4h blanco, 6h azul y 8h apagado; todo esto durante un mes. En la ilustración 9 se muestran los explantes de los biorreactores puestos en el sistema automatizado y en la ilustración 10 se colocó la imagen de biorreactores que no estaban presentes en la automatización puestos el mismo día.

Después de un mes se obtuvo el mejor biorreactor del sistema automatizado donde se obtuvo 131 brotes a partir de 10 explantes; este biorreactor estuvo colocado en el sector 2 donde se expuso un mayor tiempo a la iluminación azul, en la ilustración
11 se muestra el mejor biorreactor en el SIT automatizado, por otro lado el mejor biorreactor del sistema sin automatizar mostrado en la ilustración 12 no logro un desarrollo similar, siendo posible a simple vista determinar que el número de brotes
es menor al biorreactor en la automatización.

La implementación y los resultados obtenidos en el SIT fueron satisfactorios al notar que la automatización optimiza el desarrollo de los explantes, proporcionando un mayor número de brotes de mayor calidad, por lo tanto se puede determinar que el sistema de automatización sirve y que mejora la producción a diferencia de la forma
tradicional.

Conclusión

Ante las problemáticas actuales de escases de producción agrícola, es necesario desarrollar herramientas que permitan aumentar la cantidad y calidad de diferentes tipos de cultivo. La automatización de un SIT permite el control del ambiente dentro del sistema, lo que mejora los resultados de la reproducción in vitro.

Por tal motivo, la automatización del sistema se convierte en una herramienta necesaria para el aumento de producción agrícola al mejorar los atributos de los brotes. Tras la implementación del primer prototipo en el colegio de postgraduados fue posible corroborar que el proyecto mejoró no sólo el ambiente del cultivo, sino su micro propagación, que se vio beneficiada en cantidad y calidad de la producción
 de nuevos brotes. Por lo que la automatización del SIT no es sólo un factor de actualización de la manera de cultivo in vitro, sino que se convierte en una necesidad en la producción de especies de flora por este medio.

Asimismo, el software elaborado en el proyecto, se convirtió en una herramienta que permite al usuario comunicarse de manera sencilla con el hardware elaborado para la automatización, de manera que esta herramienta facilita el trabajo para el usuario del sistema y el control del SIT.
De manera que la automatización en el SIT, permite mejorar la calidad y cantidad de los brotes necesarios para el aumento de la producción agrícola, de esta forma es posible concluir que la automatización obtuvo los resultados esperados, comprobando que si se automatiza un SIT, entonces se mejorará tanto el estado del cultivo como su desarrollo, aumentando de esta manera su producción, como la importancia de la automatización de este tipo de sistemas en vías de una mejor calidad de vida.

1 Parte que puede ejecutarse de manera concurrente al resto de una aplicación y establece un camino de ejecución independiente. Es un tipo de multitarea.

2 Librería RXTX para Java puede descargarse en http://www.jcontrol.org/download/rxtx_en.html