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1.5 MARCO TEÓRICO

1.5.1 EL AGUA

El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua, generalmente, se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor.

El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos.

Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce (figura No. 1.1) es usada para agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe el 10% restante.

Fuente: http://www.ecoosfera.com/2015/04/en-2-5-minutos-un-dispositivo-creado-por-mexicanos-purifica-el-agua-de-todo-tipo/

FIGURA No.1.1 el agua.

El agua en la agricultura

La mayor parte del agua se destina a la agricultura, y es utilizada para irrigar los cultivos. La relación directa entre recursos hídricos y producción de alimentos es crítica por tanto para una población humana en constante crecimiento. La irrigación absorbe hasta el 90% de los recursos hídricos de algunos países en desarrollo.

La agricultura es un sistema de producción tan antiguo que se ha sabido adaptar a los diferentes regímenes hídricos de cada país: Así, en zonas donde se den abundantes precipitaciones suelen realizarse cultivos de regadío, mientras que en zonas más

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secas son comunes los cultivos de secano. Más recientemente, y en entornos más adversos, como el desierto se ha experimentado con nuevas formas de cultivo, centradas en minimizar el consumo de agua.

En la actualidad una de las vertientes más activas de la investigación genética intenta optimizar las especies que el hombre usa como alimento. Actualmente la agricultura supone una importante presión sobre las masas naturales de agua, tanto en cantidad como en calidad. Así, el agua que precisan los regadíos supone una disminución de los caudales naturales de los ríos y un descenso de los niveles de las aguas subterráneas que ocasionan un efecto negativo en los ecosistemas acuáticos.

1.5.2 LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA AGRICULTURA

La agricultura depende del clima y de las condiciones naturales. Las condiciones climáticas cambiantes producen desequilibrios entre las precipitaciones y las necesidades de los cultivos durante la vegetación, lo cual entraña graves consecuencias para los rendimientos y para la calidad de los productos agrícolas.

El riego es una herramienta vital que sustenta a la producción en diferentes áreas. En ausencia del riego, aparece el riesgo del abandono de las tierras y las graves dificultades económicas, por no hablar de la posible deslocalización de la producción agrícola. Las tecnologías de riego mejoradas y las prácticas de ahorro de agua se convertirán en claves esenciales para salvaguardar la producción agrícola en dichas regiones (figura No. 1.2).

Es bien sabido por todos que el agua es un recurso fundamental e importante para el desarrollo de la vida, lo cual nos hace que tomemos conciencia de su uso adecuado, proteger su utilización y su correcto uso. Pero, mientras que en partes del mundo el agua es muy escaza y millones de personas mueren a falta de este recurso; en nuestro país y porque no decir en muchos países de América, el agua no es tan valorada. Por todo ello, nuestros hábitos de consumo tanto despreocupados como irresponsables, el aumento de la concentración de la población mundial, la contaminación de las fuentes básicas de obtención y otros factores han provocado una preocupación medioambiental.

Fuente:http://nuestrascharlasnocturnas.com/2011/06/10/el-cambio-climatico-reducira-el-agua-disponible-para-la-agricultura/

FIGURA No. 1.2 el agua es vital en la agricultura

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1.5.3 TIPOS DE RIEGO

El riego es fundamental si estamos pensando en la siembra, en cultivar tomates, fresas o las plantas que fueren. Mediante el riego damos agua al suelo para que las plantas puedan crecer. Existen diferentes tipos de riego. A nivel mundial, el riego consume un alto porcentaje de recursos hídricos. Por ello, actualmente se intenta probar los diferentes tipos de riego existentes con la intención de ahorrar agua sin que ello afecte a la siembra. Existen diferentes sistemas o tipos de riego. Entre los más eficientes y más respetuosos del cuidado del medio ambiente se hallan:

Cobertura integral: es el tipo de riego más antiguo que se adapta fácilmente en cualquier terreno. El método puedes ser automatizado, móvil o de los que se entierran con un elevador telescópico.

Gota a gota o riego localizado: este tipo de riego arroja el agua con muy baja presión hasta las raíces y hasta distribuir el goteo. Se hace con ayuda de tubos pequeños, dispuestos en el suelo o enterrados (figura No 1.3). Se riega con mucha precisión pero, fundamentalmente, se hace porque este tipo de riego ayuda a ahorrar mucha cantidad de agua. Además, se limitan las pérdidas por evaporación, dispersión o infiltración. En la actualidad, la gota a gota se utiliza mucho para regar frutas, verduras, cereales, flores o viveros pequeños. Por supuesto, podríamos utilizarlo en invernaderos pequeños o también en invernaderos caseros.

Fuente: http://info.elriego.com/portfolios/tipos-de-sistemas-de-riego-localizado/

Figura No. 1.3. Sistema de riego por goteo en superficie y subterráneo.

Pulverización o aspersión: son canalizaciones subterráneas que distribuyen el agua a través de las tuberías. Una especie de lluvia fina, riegan las plantaciones proyectando el agua bajo presión. Con este método el agua se aplica al suelo en forma de lluvia utilizando unos dispositivos de emisión de agua, denominados aspersores, que generan un chorro de agua pulverizada en gotas (Figura No. 1.4).

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Fuente: http://agriculturers.com/tag/riego-por-aspersion/

Figura No. 1.4. Riego por aspersión.

Todos diferentes tipos de riego que ayudan a ahorrar agua y a preservar a nuestro medio ambiente al mismo tiempo que están haciendo posible la vida de las plantas.

1.5.4 SISTEMA DE RIEGO POR GOTEO

El riego por goteo suministra agua de manera lenta y uniforme a baja presión a través de mangueras de plástico instaladas dentro o cerca de la zona radicular de las plantas. Es una alternativa a los sistemas de riego por aspersores o surcos. El riego por goteo puede reducir el uso de agua. Un sistema de riego por goteo bien diseñado pierde muy poca agua porque hay poco escurrimiento, evaporación o percolación profunda en suelo limoso. Con el riego por goteo hay menos contacto del agua con el follaje, los tallos y los frutos. Por eso, las condiciones son menos favorables para el desarrollo de enfermedades en las plantas.

Componentes y diseño

Hay una gran variedad de componentes y opciones para el diseño del sistema. Hay gran variación en las especificaciones de la cinta, mangueras y emisores de goteo, dependiendo del fabricante y el uso del producto (Tabla No.1.1). El sistema de distribución, las válvulas y las bombas deben ser adecuados para la cinta específica.

Hay que tener en cuenta las necesidades del cultivo y las propiedades del suelo antes de escoger el tipo de cinta, la profundidad de la cinta en el suelo, la distancia entre cintas y emisores, la tasa de flujo y el programa de riego.

Fuente: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1415-43662007000600001

Tabla No. 1.1 Tipos de sistemas de riego por goteo.

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1.5.5 SISTEMAS DE RIEGO AUTOMATIZADOS

El desarrollo tecnológico ha venido a nuestro rescate dándonos sistemas de riego automatizados que podemos poner a trabajar para nosotros. El término automatización se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que operan con mínima, incluso sin intervención, del ser humano.

Los sistemas de riego automático son una herramienta cómoda para los propietarios de viviendas en el sentido en que, si están instalados correctamente, aportan la cantidad de agua adecuada al lugar correspondiente con un esfuerzo mínimo por parte del propietario. La mayoría de los sistemas automáticos utilizan varios tipos de métodos para el suministro de agua, siendo dos de los más comunes los aspersores emergentes que se introducen en el terreno cuando se termina el ciclo de riego, y el riego localizado, que utiliza microcomponentes para suministrar agua a menor velocidad, precisamente en donde las plantas más lo necesitan, en el terreno por encima del sistema radicular (Figura No. 1.5).

Fuente: http://www.adf-ingenieria.com.ar/riego3.htm

Figura No. 1.5. Ejemplo de sistema de riego automatizado.

Algunas de las mayores ventajas de un sistema de riego automático es la capacidad

para aportar distintas cantidades de agua a diferentes plantas a una velocidad que

pueda absorberla, además, asegurará que se aplique la cantidad de agua adecuada

a cada zona. Los sistemas más eficaces pueden incluir tanto componentes

subterráneos como de riego localizado, lo que es especialmente aplicable a los

sistemas con varias zonas.

Un sistema de riego automático eficaz está formado por diversos componentes:

Programador: es el encargado de comandar la apertura y cierre de las electroválvulas, indicando qué días hay que regar y cuánto tiempo dura cada riego.

Electroválvulas: son las encargadas de abrir y cerrar el paso de agua, cuando el programador se lo ordena.

Cables: son los que conectan el programador y las electroválvulas, deben tener doble o triple protección contra la humedad.

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Arquetas: albergan a las electroválvulas, y suelen ser de plástico. Son individuales o para varias electroválvulas.

Tuberías de polietileno o PVC: el polietileno es más cómodo que el PVC, ya que las tuberías y accesorios se enroscan rápidamente. En las tuberías de PVC, las uniones requieren un pegamento especial.

Reductor de presión: se utiliza para el riego por goteo. Hay diferentes modelos, para instalaciones grandes o pequeñas.

Emisores de riego: aspersores, difusores, cintas de exudación, tuberías de goteo, riego subterráneo, micro aspersores.

Piezas especiales: codos, enlaces, reducciones, etc.

1.5.6 NIVEL DE AUTOMATIZACIÓN

El mínimo nivel de automatización sería la apertura y cierre de válvulas hidráulicas para realizar las posturas de riego. El máximo nivel sería el control total de la instalación, de la humedad del suelo, del estado hídrico de la planta, del clima etc., incluyendo los sistemas de adquisición de datos para una adecuada gestión del regadío.

Estos niveles condicionan también la cualificación profesional del personal que la maneje y la dependencia de un servicio técnico que solucione los posibles problemas de la instalación.

Los sistemas de control utilizados para el riego pueden ser en bucle abierto o en bucle cerrado. La diferencia entre ellos es que en los de bucle cerrado se establece una comunicación recíproca entre el controlador y los sensores, tomando decisiones y aplicándolas al sistema de riego.

Los sistemas abiertos simplemente ejecutan una acción, como ocurre por ejemplo al programar la secuencia temporal de los riegos.

A) Sistemas de control abiertos.

Son los más utilizados en la actualidad, controlando básicamente el tiempo en el que se produce el riego o el volumen de agua a aplicar, pero sin tener en cuenta los restantes factores que influyen en el riego como nivel de humedad en el suelo, estado de las plantas, condiciones de viento, etc. Comúnmente se les conoce como programadores de riego (figura No. 1.6).

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Fuente: https://www.emaze.com/@ALIQCRFO/SISTEMAS-DE-CONTROL

FIGURA No. 1.6. Sistema de control de lazo abierto.

Los sistemas de control en bucle abierto tienen la ventaja de que no son muy caros.

Su principal inconveniente es que no responden automáticamente a los cambios de

las condiciones ambientales o del cultivo, necesitando reajustes de forma

permanente para alcanzar altos niveles de eficiencia.

B) Sistemas de control cerrado.

En este caso el usuario define una estrategia general de control para que,

basándose en ella, el sistema elabore y ejecute las decisiones en cuanto al

momento adecuado para el riego y la cantidad de agua a aportar. Este tipo de

sistemas requieren la comunicación permanente de los sensores con el controlador,

(Figura No. 1.7), lo que permite conocer cómo se desarrolla el proceso y del

controlador con los actuadores (lo que permite tomar la decisión de riego y

ejecutarla en caso necesario).

Fuente: https://www.emaze.com/@ALIQCRFO/SISTEMAS-DE-CONTROL

FIGURA No. 1.7. Sistema de control de lazo cerrado.

Los sistemas de control en bucle cerrado requieren la adquisición de datos y de parámetros ambientales tales como, temperatura del cultivo, humedad del suelo, temperatura del aire, velocidad del viento, etc. El estado del sistema es comparado con un estado de referencia y se elabora una decisión y, en su caso, una actuación sobre la base de esa comparación.

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La principal limitación de estos sistemas de control es que hay que encontrar la mejor localización de los sensores de suelo, de planta, o de la estación climática para que sea representativo del sistema a partir del cual realizar su control.

1.5.7 MICROCONTROLADORES

Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar.

Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.

Controlador y microcontrolador

Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado.

Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:

Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).

Memoria RAM para Contener los datos.

Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.

Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).

Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

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1.5.8 APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES

Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.

Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes.

Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.

1.5.9 LAS GAMAS DE PIC

Una de las labores más importantes del ingeniero de diseño es la elección del microcontrolador que mejor satisfaga las necesidades del proyecto con el mínimo presupuesto.

Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos, en cambio, las aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir, de forma óptima, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura.

Microchip dispone de cuatro familias de microcontroladores de 8 bits para adaptarse a las necesidades de la mayoría de los clientes potenciales. En la mayor parte de la bibliografía encontrareis tan solo tres familias de microcontroladores, con lo que habrán despreciado la llamada gama enana, que es en realidad una subfamilia formada por componentes pertenecientes a las otras gamas.

En nuestro caso hemos preferido comentarla dado que los PIC enanos son muy apreciados en las aplicaciones de control de personal, en sistemas de seguridad y en dispositivos de bajo consumo que gestionan receptores y transmisores de señales. Su pequeño tamaño los hace ideales en muchos proyectos donde esta cualidad es fundamental.

A) La gama enana: PIC12C (F) XXX de 8 patitas

Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención del mercado. Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua

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comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. A continuación se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No. 1.8).

Fuente: http://perso.wanadoo.es/pictob/micropic16f84.htm

FIGURA No. 1.8 Diagrama de patitas de los PIC12Cxxx.

B) Gama baja o básica: PIC16C5X

Con instrucciones de 12 bits. Se trata de una serie de PIC de recursos limitados, pero con una de la mejores relaciones coste/prestaciones. Sus versiones están encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensión de 2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningún tipo de interrupción y la Pila sólo dispone de dos niveles. A continuación se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No. 1.9).

Fuente: http://perso.wanadoo.es/pictob/micropic16f84.htm

Figura No. 1.9 Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja de nomenclatura PIC16C54/56.

C) Gama media. PIC16CXXX

Con instrucciones de 14 bits Es la gama más variada y completa de los PIC. Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias opciones que integran abundantes periféricos. Dentro de esta gama se halla el «fabuloso PIC16X84» y sus variantes. En la figura siguiente se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC (Figura No. 1.10).

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Fuente: http://perso.wanadoo.es/pictob/micropic16f84.htm

Figura No. 1.10 Diagrama de patitas del PIC16C74, de la gama media.

D) Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits.

Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos disponen de un sistema de gestión de interrupciones vectorizadas muy potente. También incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos.

Quizás la característica más destacable de los componentes de esta gama es su arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliación del microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al exterior las líneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se conectan memorias o controladores de periféricos.

Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado número de patitas comprendido entre 40 y 44. Esta filosofía de construcción del sistema es la que se empleaba en los microprocesadores y no suele ser una práctica habitual cuando se emplean microcontroladores. En el anexo B se muestran las características más relevantes de los modelos de esta gama, que sólo se utilizan en aplicaciones muy especiales con grandes requerimientos (Figura No. 1.11).

Fuente: http://perso.wanadoo.es/pictob/micropic16f84.htm

FIGURA No. 1.11. Diagrama de patitas del PIC18F452, de la gama alta.

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BIBLIOGRAFÍA

Albertos, M. O. MANUAL DE RIEGO. México DF: alfaguara.

GUROVICH, L. A. Fundamentos y diseño de sistemas de riego. Costa Rica: Ediciones IICA, 1885.

MOLINA, J. Automatización y telecontrol de sistemas de riego. España: Marcombo, 2010.

SNELLEN, B. Operación y mantenimiento de los sistemas de riego. Roma, 1997.

RODRIGUEZ, F. Control y robótica en agricultura. España: Ediciones Almería, 2004.

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OTRAS FUENTES CONSULTADAS

Páginas web

MICROCHIP, Datasheet (Datos técnico), http: //www.micochip.com Tomado

en mayo 2015.

ORBIT. RIEGO AUTOMATICO: EL DISEÑO, SU INSTALACION Y LOS

PRODUCTOS. Disponible en:

http://www.fuentejardin.com/info_tecnica/consejossobrediseoeinstalacionorb

it_iedfihjpryrgqsl.pdf.

Vargas, L. G. & Pinzón, E. L. DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO

DE RIEGO PARA LOS CULTIVADORES DE DURAZNO DE LA ZONA

RURAL DEL MUNICIPIO DE CHITAGA. Disponible en:

http://es.slideshare.net/leonardo3174366/proyecto-sistema-automatizado-

de-riego

Tesis

Vásconez, J.C. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE

RIEGO AUTOMATIZADO Y CONTROLADO DE FORMA INALAMBRICA.

Guayaquil: Universidad Politécnica Salesiana. 2013.