Monitorización y control en la nube de variables ambientales en un invernadero botánico

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el diseño, la construcción y la instalación de una red inalámbrica de sensores que permita monitorizar las variables más relevantes de un invernadero botánico. En este caso, el sistema a monitorizar es el Aula Verde Invernadero, uno de los invernaderos de prácticas de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas
El proyecto se ha dividido en tres fases: investigación (Capítulos 1 a 3), diseño de prototipo (Capítulos 4 a 8) e instalación final (Capítulo 9).
Durante la primera fase se ha realizado un análisis del estado actual de las redes inalámbricas, así como de las características que definen a los invernaderos botánicos. Esta parte del proyecto ha sido especialmente relevante a la hora de definir el alcance y los objetivos que se desean conseguir.
Así, a pesar de que un principio se quería plantear el trabajo como una manera de desarrollar una nueva arquitectura basada en una red ya existente, tras analizar el estado de la misma se ha decidido construir otra completamente nueva. Por tanto, se ha sustituido esa motivación por la de diseñar una red que aporte algo novedoso al sector.
Respecto a los invernaderos botánicos, se ha estudiado las principales diferencias que tienen en relación con los invernaderos de cultivo agrícola, que suelen ser uno de los objetivos más habituales de la aplicación de redes inalámbricas de sensores. De este análisis se concluye que su heterogeneidad en composición y forma, así como los diferentes ambientes que suelen necesitar, les convierten en un lugar interesante para el desarrollo de nuevas redes versátiles.
Como conclusión de esta primera parte se ha decidido medir temperatura y humedad ambientales y terrestres, así como niveles de luminosidad.
Teniendo en cuenta los tipos de redes que existen hoy en día, y habiendo elegido un grupo de variables que permitan estudiar el desarrollo de las plantas dentro del invernadero, se comienza la fase relativa al diseño del prototipo.
En primer lugar, se ha realizado un estudio de mercado con el que se pretende obtener una imagen del panorama actual en relación con los dispositivos de medida, microcontroladores y módulos de comunicación inalámbrica.
Las características básicas que se espera de los sensores son precisión y bajo consumo, y en segundo plano tamaño reducido y un precio asequible. Este análisis se ha aplicado a dispositivos capaces de medir las cinco variables elegidas, así como a otros grupos como son la concentración de gases o el pH.
Una vez se han presentado todas las opciones, y en base a las características y variables definidas en la primera fase, se ha elegido una serie de componentes con los que se ha construido el prototipo. Dado que es difícil encontrar sensores a un precio reducido que sean capaces de medir las otras variables mencionadas anteriormente, la elección se ha reducido a las resultantes del análisis inicial. Se considera que en este proyecto es más deseable demostrar que la red funciona, dejando para un futuro la adquisición de nuevos sensores.
Los sensores elegidos son: DHT11, para temperatura y humedad ambiente; DS18B20, para temperatura terrestre; FC-28, para humedad terrestre; BH1750FVI, para luminosidad.
Respecto a los microcontroladores, se ha decidido que la opción más sencilla es la proporcionada por los Arduino. Dado su bajo coste, la facilidad para adquirirlos y las prestaciones más que suficientes para el procesamiento que necesitan las motas, se considera que son la mejor elección.
Dentro de este grupo se ha buscado dispositivos que consuman poco, dispongan del suficiente número de pines y ocupen poco espacio. El mejor candidato que se ha encontrado es el Arduino Pro Mini de 5V.
Por último, el punto más relevante es el relativo a las comunicaciones. Tras analizar algunas de las opciones más empleadas hoy en día, se ha elegido como medio de comunicación el WiFi. Esto se debe a que se han encontrado unos módulos, los ESP8266, de bajo coste y tamaño reducido, que proporcionan las mismas posibilidades de conexión que un router.
Esta elección, a priori controvertida por disponer de unas características de consumo que chocan con la concepción clásica de las redes inalámbricas, puede suponer una nueva línea de desarrollo que abra las puertas a la entrada de la conectividad total. Dado que los estudios de IoT se están convirtiendo en la tónica habitual hoy en día, se ha decidido dar una oportunidad a las conexiones WiFi como medio de comunicación en redes inalámbricas.
Sin dejar de lado el objetivo real del proyecto, que no es otro que instalar una red en un invernadero que permita medir variables, con esta elección se ha pretendido comenzar una nueva línea de investigación en el departamento que ahonde en el mundo de la conectividad WiFi.
Tras testear y calibrar cada uno de los componentes por separado, se ha construido un prototipo a fin de poder desarrollar el software. Simultáneamente, se ha programado un servidor web cuya función será la de monitorizar el estado de la red, así como almacenar y mostrar datos a través de una página web. Además, red y servidor deberán trabajar en común para generar alertas que permitan al personal del invernadero conocer cualquier situación anómala que ocurra en el mismo.
La decisión de emplear un servidor con una página web viene motivada por la elección de la tecnología de comunicación. Teniendo en cuenta que la red se comunica por WiFi, y dado que hoy en día el mayor flujo de información se encuentra en Internet, ha parecido necesario encauzar la información saliente de la red en esa dirección.
Durante esta segunda fase también se ha buscado maximizar la eficiencia energética, dado que la tecnología de comunicaciones elegida en principio no favorece la consecución de este concepto. La mejor forma de disminuir el consumo es reduciendo el número de comunicaciones realizado por los componentes de la red.
A pesar de esto, hay que recordar que la función de la red es informar del estado del invernadero, y no tomar medidas y guardarlas. Por ello, se ha realizado un estudio del consumo energético de cada componente, a fin de encontrar un punto medio entre el máximo ahorro de energía y el máximo envío de datos posible. Así, se ha cambiado la monitorización en tiempo real por una ligeramente desfasada, y a cambio se ha alargado la vida de las baterías.
Una vez encontrado el punto de trabajo más eficiente, se ha llevado a cabo la instalación final. Para ello ha sido necesario encontrar una tecnología que permita reproducir fácilmente el diseño realizado anteriormente. Esta tecnología han sido las PCBs, de fácil desarrollo y muy útiles a la hora de conectar componentes entre sí.
Tras construir todos los componentes de la red, se ha elegido su distribución dentro del invernadero, así como la de los otros dos componentes primordiales: el router y el servidor. Si bien el router y la red se han situado dentro del invernadero, dado que la información fluye por Internet se ha decidido instalar el servidor en un edificio cercano.
Una vez instalados se ha realizado una serie de pruebas que permita conocer el funcionamiento de la red, tanto en términos de consumo como de fiabilidad en el envío de datos.
Para finalizar el proyecto, se han presentado una serie de conclusiones y algunas posibles líneas de trabajo que permitan desarrollar el trabajo en nuevas direcciones, así como la planificación temporal y el presupuesto necesario para su desarrollo.
De éstos se deduce que es posible generar una red inalámbrica, en este caso no con una arquitectura revolucionaria, pero que gracias a la conexión a Internet podría ofrecer otras posibilidades novedosas. Estas posibilidades se ven limitadas por el consumo energético y por el rango de las ondas, aunque en entornos pequeños esto no supone un problema. Respecto al aspecto económico, el desarrollo de la red se ha considerado extremadamente asequible, encontrándose que el coste total por elemento de la misma no supera los 35 €.