Diseño de un Sistema de Control de Riego Inteligente R. Maqueda Palma, E. Pereira López, A. Requena Novelo, J. Meneses Rodríguez Universidad Autónoma de Yucatán, Facultad de Ingeniería, Av. Industrias no Contaminantes por Periférico Norte, Cordemex, CP., 97310 Mérida, Yucatán, Mexico. Equipo 1.

1. INICIO DEL PROYECTO.

1.1 OBJETIVO GENERAL.

Desarrollar un sistema de control de riego inteligente,

utilizando dispositivos electrónicos y de comunicación, para

controlar eficientemente la función de encendido y apagado de

las válvulas que permiten la irrigación de un cultivo, sea para

uso doméstico o agrícola.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

- Se requiere simular un sistema de control de riego que

opere bajo condiciones específicas de humedad y luz.

- Ofrecer una opción entre un control manual o

automático.

- Utilizar dispositivos de comunicación remota para

controlar los dispositivos utilizados.

1.3 JUSTIFICACIÓN.

Actualmente se desperdicia más del 50% del agua en distintos

sectores del país, del cual más del 47% se debe al uso irracional

dentro de los hogares [1].

1.4 NECESIDAD QUE SATISFACE.

Tener un control más eficiente sobre el rendimiento y el uso del

recurso natural (en este caso agua) para aprovecharlo al

máximo y ahorrar la mayor cantidad posible del mismo con

ayuda de nuestro dispositivo, debido a que la mayoría de los

sistemas de riego no son inteligentes y los que lo son presentan

costos muy elevados sobre todo para una población de bajos

recursos económicos como son la mayoría de nuestros usuarios.

1.5 APORTACIÓN AL DESARROLLO SUSTENTABLE.

Nuestro producto al ser un dispositivo de baja potencia es capaz

de alimentarse con energías limpias, ahorrando así energía;

además que nuestro sistemas ahorra el uso del agua utilizada en

el irrigo en dado caso que el sensor de humedad detecté que

llovió.

1.6 RELACIÓN CON LA MECATRÓNICA.

El control eficiente de un sistema para llevar a cabo una o

varias tareas a la vez, lograr que sea un sistema inteligente y la

automatización del mismo para su utilización en las horas más

adecuadas.

1.7 USUARIOS AL QUE VA DIRIGIDO.

A todo público en general, pues abarca desde el uso doméstico

en sistemas de riego para jardines, el uso agrícola regando

cultivos, hasta el uso industrial y de seguridad como sistema

contra incendios.

1.8 ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL.

El proyecto es Matricial, porque es multidisciplinario ya que el

proyecto se dividieron las tareas entre los integrantes del

equipo, alguien se encargó de la investigación de armado del

circuito y precios, otro de la electrónica, otro a la

programación, sistemas de comunicación factibles; por lo que

aprovechando el conocimiento de los integrantes en sus

respectivas áreas se pudo realizar una supervisión,

planificación y ejecución de las actividades necesarias. Además

de que las decisiones tomadas en referencia al proyecto se

efectuaron con rapidez ya que las líneas de comunicación entre

el equipo son buenas y cortas.

2. INICIO DEL PROYECTO.

Las Tareas realizadas se enlistaron de la siguiente manera:

Tabla 1. Lista de Actividades.

ID ACTIVIDAD TIEMPO

A

Obtención de información necesaria en

relación a los componentes electrónicos

a utilizar y su facilidad de

programación

2

B Adquisición de Materiales Necesarios 4

C Programación en ARDUINO 3

D Programación en C# 4

E Diseño en PROTEUS 1

F Montaje del circuito 1

G Pruebas 4

Con el objetivo de acortar la realización del proyecto,

realizaremos un análisis de su ruta crítica (ver Fig. 1).

Fig. 1 Ruta Crítica del Proyecto.

Las rutas son las siguientes:

- ABCFG – 14 días

- ABDFG – 15 días

- ABEFG – 12 días

La ruta crítica es ABDFG, consistiendo de 15 días. Debido a

que deseamos acortar lo más posible la duración del proyecto,

procederemos a hacer un análisis de costos y tiempo de

actividades en función de un pago de $300 por día (Paga

aproximada como ingeniero):

Tabla 2. Costo de las actividades.

ACTI.

ACTI.

PRECEDEN

TE

TIEMPO

NORMAL

(días)

TIEMPO

INTENSIVO

(días)

COSTO

NORMAL

($)

COSTO

INTENSIVO

($)

A -- 2 1 600 700

B A 4 2 1200 1400

C B 3 2 900 1000

D B 4 3 1200 1300

E B 1 -- 300 --

F C,D,E 1 -- 300 --

G F 4 -- 1200 --

En la Tabla 2 se muestra el costo de las actividades, en función

del valor de tiempo que consideramos nos corresponde.

Cada actividad tiene un costo base de $300 por día en tiempo

normal. Si se desea acortar la actividad, su costo incrementa,

por lo que mantiene su costo base y se aumenta $100 por día

acortado.

Realizar todas las actividades tiene un costo de $5700.

Para facilitar el cálculo procesamos la Tabla 2 en otra que

relacione los costos y Tiempos, para notar la eficiencia de cada

gasto:

Tabla 3. Eficiencia de gastos.

ACTIVIDAD CI - CN TN - TI CI – CN / TN - TI

A 100 1 100 B 200 2 100 C 100 1 100 D 100 1 100 E -- -- -- F -- -- -- G -- -- --

En la Tabla 3 notamos que cada actividad en realidad tiene un

costo igual, por lo que nuestra decisión de acortar se basa

únicamente en las rutas críticas.

- La primera actividad a acortar es la A, que puede

acortarse, de 2, a 1 día, con un costo agregado de 100

pesos. Esta actividad es común en todas las rutas, por

lo que ahora, cada una, tiene una duración de:

o ABCFG – 13 días

o ABDFG – 14 días

o ABEFG – 11 días

- La segunda actividad a acortar es la B, que puede

acortarse, de 4, a 2 días; de nuevo esto implica un

costo agregado total de 200 pesos. Esta actividad es

común en todas las rutas, por lo que ahora, cada una,

tiene una duración de:

o ABCFG – 11 días

o ABDFG – 12 días

o ABEFG – 9 días

- De las actividades restantes para acortar, solamente D

se encuentra en la ruta crítica. Acortarla implica un

costo agregado de 100 pesos. Ahora la comparación

de rutas es la siguiente:

o ABCFG – 11 días

o ABDFG – 11 días

o ABEFG – 9 días

Aunque aún quedan actividades que serían posibles de acortar,

se tienen dos rutas críticas. Esto implicaría que si se quisiera

reducir más la duración del proyecto se necesitaría acortar

actividades en las dos, lo cual no es posible.

Entonces, concluimos nuestro análisis de la ruta crítica, en el

que el proyecto se espera se complete en 11 días, con un costo

total de $6100 pesos (Costo de Actividades) a esto le sumamos

$1800 pesos por la compra de componentes [6] dando un total

de $7900 pesos llevar a cabo nuestro producto.

El nuevo diagrama de actividades y su duración después de los

cambios presentados es el siguiente:

Fig. 2 Ruta Crítica del Proyecto con reducción a 11 días.

3. EJECUCIÓN Y CONTROL DEL PROYECTO.

3.1 DISEÑO DEL PROTOTIPO.

La creación del proyecto surge a partir de la necesidad de volver

eficiente el uso agua en un sistema de irrigo. El sistema de

control normalmente es muy costoso por lo que nuestro sistema

pretende volver más accesible nuestro producto. La innovación

que muestra nuestro sistema es la implementación de un sensor

de humedad HMZ433A1 [2].

La fabricación del producto constará de un circuito que con

ayuda de un microcontrolador ARUINO UNO [3] lea las

señales del sensor de humedad HMZ433A1, sensor de luz LDR

[4], sensor de temperatura LM35 [5] y un sensor de humo

implementado con la acoplación de un diodo infrarrojo IR [6]

y su receptor; este circuito si se desea implementar se colocaría

en una carcasa de plástico (biodegradable).

3.2 ESTRATEGIA PARA EL DISEÑO.

La estrategia tiene un enfoque Interfuncional o mixto dado que

buscamos que nuestro producto se pueda vender y competir con

los mercados competidores; también nos interesa su

manufacturación, es decir, que dispositivos se van a utilizar

permitiendo que sea accesible económicamente para todo el

público.

3.3 TÉCNICA DE DISEÑO.

La técnica de diseño utilizada fue CAM dado que utilizamos el

software de PROTEUS para diseñar nuestro circuito (ver Fig.

3); y de Prototipos rápidos ya que podemos modificar

rápidamente en nuestro Protoboard el circuito para probar

variaciones en el comportamiento, así como manipular las

variables de programa para comprobar su respuesta en diversas

condiciones. Cabe mencionar que con la ayuda de C#

implementamos una Interfaz Gráfica (ver Fig. 4) en la cual

graficamos el comportamiento de nuestros sensores, así como

podemos observar la respuesta a esas entradas; Además la

interfaz permite al usuario manipular el sistema de manera

remota (manualmente).

Fig. 3 Diseño del circuito en PROTEUS.

Fig. 4 Interfaz Gráfica diseñada con C#.

3.4 ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA DEL PRODUCTO.

La gráfica esperada sería como la siguiente:

Fig. 4 Gráfica de ciclo de vida del producto.

Donde:

- Desarrollo del producto – Las ventas son de cero y los

costos de inversión se incrementan.

- Introducción – Crecimiento lento de las ventas y

utilidades nulas.

- Crecimiento – Aceptación rápida en el mercado y de

incremento en las utilidades.

- Madurez – Disminución en el crecimiento de las

ventas y reducción o estancamiento de las utilidades.

- Decadencia – Las ventas y las utilidades disminuyen

Nuestro proyecto es 100% electrónico, el sistema se basa en un

sistema de control, es decir, el sistema de riego ya debe estar

implementado (tuberías, bombas, etc.) nosotros solo nos

encargamos del control del mismo, por lo que nuestro producto

podríamos realizarle bastantes cambios, por mencionar

algunos: Menor tamaño, mejor controlador (para mayor

velocidad), mejor sistema de comunicación (para mayor

alcance), etc. Recordando que es necesario un análisis de

mercado para saber si es factible mejorar el producto, porque al

utilizar mejores componentes, el precio aumenta notablemente.

Fig. 5 Diagrama de Entradas y Salidas (Impacto Ambiental).

La Gráfica de Gantt obtenida es la siguiente:

Fig. 6 Diagrama de Gantt en Ruta de 11 días.

4. FINALIZACIÓN DEL PROYECTO.

Con la implementación de este proyecto los usuarios adoptaran,

de manera indirecta, ciertas medidas que son amigables con el

medio ambiente.

Por mencionar alguna se encuentra la reducción en gran

medida del uso ineficiente del agua, además de que el sistema

puede ser alimentado con energías limpias en su totalidad; si en

un futuro llegara el sistema a presentar algún error, su

reparación es práctica debido a que basta con cambiar el

componente que se encuentren en mal estado sin necesidad de

ser reemplazado el sistema en su totalidad.

Otras propiedades importantes del sistema es que

posee un tamaño reducido lo cual se facilita su colocación; el

sistema de control requiere de cantidades pequeñas de energía.

Nuestro sistema produce un efecto de reducción de agua, al

aprovechar el agua de lluvia en su decisión de riego, que a su

vez puede verse como una forma de reusar.

En caso de que se desee reciclar el producto, sería posible la

reutilización de los diversos componentes electrónicos que

puedan aun servir, y notar la contaminación que generen los

inútiles.

4.1 BREVE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA.

El dispositivo consiste en la lectura analógica de 4 sensores:

- Sensor LDR

- Sensor LM35

- Sensor de Humo

- Sensor de Humedad

El sistema toma la decisión de encender el riego cumpliendo las

siguientes condiciones de lectura:

- Si el sensor LDR está activo y el de humedad no,

empieza a regar, dado que esa condición se daría en la

noche; y la condición de humedad determinará si ha

llovido o no.

- Si el Sensor de Humo y Temperatura están activos me

indica un incendio, por lo que igual encendemos el

riego

4.2 IMÁGENES DEL SISTEMA.

Fig. 7 Sensores utilizados.

Fig. 8 Sistema funcionando con éxito.

4.3 CONCLUSIONES.

Se lograron los objetivos dado que nuestro sistema cuenta con

una Interfaz gráfica que lee nuestros sensores, manipula la

salida de acuerda a las condiciones dadas y se controla

remotamente.

REFERENCIAS.

[1] Estadísticas del Agua en México, Edición 2011, Comisión Nacional del Agua, Marzo del 2011. Disponible en: <http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/EAM2011.pdf>

[2] Página principal con toda la información acerca del ARDUINO. Disponible en: < http://www.arduino.cc/>.

[3] Datasheet del sensor de luz LDR. Disponible en: <http://www.biltek.tubitak.gov.tr/gelisim/elektronik/dosyalar/40/LDR_NSL19_M51.pdf>.

[4] Datasheet del sensor de temperatur LM35. Disponible en: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf>.

[5] Datasheet del diodo IR. Disponible en:

<http://www.adafruit.com/datasheets/IR333_A_datasheet.pdf >.

[6] Página de venta de componentes electrónicos en Mérida Yucatán.

Disponible en: <http://www.electronica60norte.com/inicio.php>