Diseño e implementación de una interfaz de medición y control de condiciones ambientales en un invernadero a escala para el cultivo de hortalizas tipo C3 Jeferson Ezequiel Noj Cifuentes UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Diseño e implementación de una interfaz de medición y control de condiciones ambientales en un invernadero a escala para el cultivo de hortalizas tipo C3 Trabajo de graduación presentado por Jeferson Ezequiel Noj Cifuentes para optar al grado académico de Licenciado en Ingeniería Mecatrónica Guatemala, 2024 UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Diseño e implementación de una interfaz de medición y control de condiciones ambientales en un invernadero a escala para el cultivo de hortalizas tipo C3 Trabajo de graduación presentado por Jeferson Ezequiel Noj Cifuentes para optar al grado académico de Licenciado en Ingeniería Mecatrónica Guatemala, 2024 Vo.Bo.: (f) M. Sc. Carlos Esquit Tribunal Examinador: (f) M.Sc. Carlos Esquit (f) M. Sc. Miguel Enrique Zea Arenales (f) Fecha de aprobación: Guatemala, 13 de febrero de 2025 Prefacio La elaboración de este trabajo de graduación ha sido un viaje de aprendizaje, dedicación e incluso superación personal. Desde el inicio, el desafío de investigar y desarrollar este proyecto representó una oportunidad para profundizar y poner en práctica el conocimiento adquirido a lo largo de mi formación académica. Durante todo el proceso, encontré obstáculos que requirieron paciencia y perseverancia, sin embargo, cada uno de esos obstáculos también signi�có un crecimiento intelectual y profesional. La investigación presentada en este documento es el resultado de meses de esfuerzo, cuyo objetivo es aportar valor al campo de estudio y abrir nuevas perspectivas para futuras investigaciones. La culminación de este trabajo no habría sido posible sin el apoyo y la orientación de las personas a mi alrededor. Agradezco principalmente a Dios por la oportunidad de haber iniciado y desarrollado el proyecto, agradezco también a mi asesor por su guía y consejos, así como a mi familia y amigos por su apoyo y motivación en cada etapa del trabajo realizado. Espero que este trabajo contribuya al conocimiento en la materia y que sirva de inspi- ración para otros estudiantes e investigadores interesados en explorar el mundo del Internet de las Cosas. iii Índice Prefacio iii Lista de �guras ix Lista de cuadros x Resumen xi Abstract xii 1. Introducción 1 2. Antecedentes 2 2.1. Sistema de transmisión inalámbrico de largo alcance . . . . . . . . . . . . . . 2 2.2. Implementación de una red de sensores inalámbricos para el monitoreo de variables físicas en cultivos hidropónicos mediante tecnología LoRa . . . . . . 3 2.3. Diseño de una red inalámbrica de baja potencia para la agricultura de preci- sión en la �Finca La Habana� - Villa Rica, Cauca . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3. Justi�cación 6 4. Objetivos 8 4.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4.2. Objetivos especí�cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5. Alcance 9 6. Marco teórico 10 6.1. Invernaderos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 6.1.1. Características generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 6.1.2. Modelos de invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 6.2. Hortalizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 6.2.1. Clasi�cación por e�ciencia en la fotosíntesis [14] . . . . . . . . . . . . . 15 6.2.2. Condiciones ambientales y estrés en los cultivos . . . . . . . . . . . . . 17 iv 6.3. Internet de las cosas [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6.3.1. Tecnologías de comunicación inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6.4. LoRa [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6.4.1. The LoRa Alliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6.4.2. LoRa y LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 6.4.3. Arquitectura LoRaWAN [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.4.4. Flujo de datos en una red LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.4.5. Factor de Dispersión [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.4.6. Indicadores de calidad de señal [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6.4.7. Pérdida de trayectoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.5. Free RTOS [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.5.1. Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.5.2. Queues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.6. ESP-IDF [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 6.7. The Things Network [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 6.7.1. The Things Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 6.7.2. Ubidots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7. Requerimientos de diseño 35 7.1. Selección de características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 7.2. Selección de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2.1. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2.2. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7.2.3. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.2.4. Comunicación LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8. Diseño de la interfaz de medición y control 45 8.1. Diagrama de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 8.1.1. Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 8.1.2. Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.1.3. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.1.4. Transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.2. Placa de circuito impreso (PCB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.2.1. Diseño y fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.2.2. Soldadura de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.3. Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.3.1. Lectura del ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.3.2. Entradas y salidas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.3.3. Comunicación I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.3.4. Monitoreo y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.3.5. Transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 9. Diseño y construcción del invernadero a escala 63 9.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 9.2. Sistema de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9.3. Sistema de ventilacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 9.4. Sistema de sombra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 v 10.Implementacion 72 10.1. Monitoreo y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 10.2. Transmicion de datos a la nube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 10.3. Despliegue en la interfaz gra�ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 10.4. Rangos de transmicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 10.4.1. Pruebas en ciudad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 10.4.2. Pruebas en campo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 11.Conclusiones 85 12.Recomendaciones 86 13.Bibliografía 87 vi Lista de �guras 1. Prototipo del sistema implementado por José Ochoa, el bombillo simula la alarma de emergencia. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Implementación del nodo �nal para el monitoreo del cultivo hidropónico. [2] . 4 3. Interfaz grá�ca implementada para el monitoreo del cultivo hidropónico . . . 4 4. Circuito del gateway implementado en la red de baja potencia. [3] . . . . . . . 5 5. Cubierta traslúcida de un invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 6. Ejemplo de estructura de un invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 7. Ejemplo de calefactor en un invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 8. Ejemplo de nebulizador para invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 9. Sistema de ventilación de un invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 10. Sistema de riego por aspersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 11. Invernadero tipo túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 12. Invernadero tipo capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 13. Invernadero tipo diente de sierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 14. Invernadero tipo venlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 15. Fotosíntesis en una planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 16. Tecnologías de comunicación inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 17. Logotipo de la tecnología LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 18. Diagrama de distribución de capas de LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . 22 19. Bandas ISM sub-GHz alrededor del mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 20. Arquitectura de una red LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 21. Ejemplo de un gateway para la red LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 22. Factor de dispersión (SF) vs velocidad y tiempo en el aire . . . . . . . . . . . 27 23. RSSI en una red LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 24. SNR en una red LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 25. Pérdida de trayectoria de una señal inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 26. Programación secuencial vs FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 27. Propiedades de FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 28. Queue en FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 29. Espressif ESP-IDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 30. Logotipo de The Things Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 31. Logotipo de la plataforma Ubidots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 vii 32. Sensor de temperatura y humedad relativa - AHT10 . . . . . . . . . . . . . . 37 33. Sensor capacitivo de humedad del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 34. Sensor de intensidad de luz - TSL2561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 35. Actuador para el sistema de ventilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 36. Actuador para el sistema de riego por aspersión . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 37. Actuador para el sistema de sombra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 38. ESP32 DevKit V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 39. Placa de desarrollo Wio-E5 Dev Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 40. Gateway LoRaWAN - SenseCAP M2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 41. Diagrama de bloques de la interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 42. Conexiones del circuito de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 43. Conexiones del circuito de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 44. Conexiones del circuito de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 45. Conexiones del circuito de transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 46. Esquemático utilizado para el diseño de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 47. Resumen del cálculo para ancho de pistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 48. Capa inferior de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 49. Capa superior de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 50. Modelo 3D de la PCB y los componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 51. Fabricación de la PCB con fresadora CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 52. Soldadura de componentes en la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 53. Resultado �nal de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 54. Diagrama de �ujo para la con�guración del ADC . . . . . . . . . . . . . . . . 55 55. Diagrama de �ujo para la lectura del sensor capacitivo . . . . . . . . . . . . . 56 56. Diagrama de �ujo para la con�guración de las entradas y salidas . . . . . . . 56 57. Diagrama de �ujo para la lectura de los �nales de carrera . . . . . . . . . . . 57 58. Diagrama de �ujo para la con�guración de la interfaz I2C . . . . . . . . . . . 57 59. Diagrama de �ujo para la lectura de los sensores de temperatura y luz . . . . 58 60. Estructura de datos que envía el sensor AHT10 . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 61. Ecuaciones para cálculo de la intensidad de luz en luxes . . . . . . . . . . . . 59 62. Diagrama de �ujo para la con�guración de la interfaz UART . . . . . . . . . . 60 63. Diagrama de �ujo de la tarea de transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . 61 64. Diagrama de �ujo de la tarea de monitoreo y control . . . . . . . . . . . . . . 62 65. Modelo de invernadero seleccionado - Tipo capilla . . . . . . . . . . . . . . . . 63 66. Armario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 67. Estructura base creada con el modelo 3D de la piezas . . . . . . . . . . . . . . 65 68. Estructura del techo tipo capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 69. Base de madera para el invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 70. Diseño del sistema de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 71. Diseño de los aspersores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 72. Sujetadores para el ventilador brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 73. Mecanismo modelo para el sistema de sombra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 74. Diseño del sistema de sombra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 75. Soporte tipo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 76. Soporte tipo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 77. Soporte tipo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 viii 78. Construcción del invernadero a escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 79. Alerta por temperatura y activación del sistema correspondiente . . . . . . . 73 80. Alerta por humedad relativa y activación del sistema correspondiente . . . . . 73 81. Alerta por radiación solar y activación del sistema correspondiente . . . . . . 73 82. Alerta por humedad del suelo y activación del sistema correspondiente . . . . 74 83. Decoder implementado en el servidor de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 84. Logs de los datos interpretados en el servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 85. Dashboard de la interfaz grá�ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 86. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 87. Mapa del entorno 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 88. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 89. Mapa del entorno 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 90. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 91. Mapa del entorno 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 92. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 93. Mapa del entorno 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 94. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 95. Mapa del entorno 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 96. Comportamiento del RSSI a medida que avanzaba el tiempo y se modi�caba la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 97. Mapa del entorno 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 ix Lista de cuadros 1. Condiciones óptimas para el cultivo de algunas hortalizas tipo C3 [8]. . . . . . 19 2. Relación entre las características del invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3. Características de los sensores de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4. Características de los sensores de humedad del suelo . . . . . . . . . . . . . . 37 5. Características de los sensores de intensidad de luz . . . . . . . . . . . . . . . 38 6. Características de las bombas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7. Microcontroladores considerados para la interfaz de monitoreo y control . . . 42 8. Características de los módulos LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 9. Características de gateways LoRaWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 10. Requerimientos de diseño para PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 11. Interpretación de la variable . . . . . . . . . . . . . . . 61 12. Comparación de características entre los tipos de invernadero. . . . . . . . . . 71 13. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 1 . . . . . . . . . . . . . . . 77 14. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 2 . . . . . . . . . . . . . . . 78 15. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 3 . . . . . . . . . . . . . . . 79 16. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 4 . . . . . . . . . . . . . . . 80 17. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 5 . . . . . . . . . . . . . . . 81 18. Datos obtenidos durante las pruebas del entorno 6 . . . . . . . . . . . . . . . 82 19. Distancias máximas para cada entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 x Resumen Este trabajo consistió en el diseño e implementación de una interfaz que permitiera medir y controlar las condiciones ambientales dentro de un invernadero a escala, esto con el �n de optimizar el cultivo de hortalizas y tener un seguimiento de dichas condiciones de forma remota. El sistema propuesto permite ajustar automáticamente condiciones como temperatura, humedad y cantidad de luz solar mediante la activación de sistemas de ventilación, riego o sombra. Para la transmisión de datos se utilizó tecnología LoRa que ofrece largo alcance y bajo consumo energético, mejorando la comunicación en áreas rurales con baja cobertura de redes celulares o internet. Se determinaron distancias de transmisión máximas de hasta 1.5 km en entornos urbanos y 2.5 km en campo abierto, distancias in�uenciadas por la altura de instalación de las antenas. El proyecto representa un punto de partida para la implementación de la agricultura de precisión en Guatemala, permitiendo un cultivo e�ciente y con mayor producción. Palabras clave: invernadero, monitoreo ambiental, tecnología LoRa, agricultura de precisión, telemetría. xi Abstract This project involved the design and implementation of an interface to measure and control environmental conditions within a scaled greenhouse, aiming to optimize vegetable cultivation and enable remote monitoring of these conditions. The proposed system automatically adjusts temperature, humidity, and sunlight levels by activating ventilation, irrigation, or shading systems. For data transmission, LoRa techno- logy was used, providing long-range communication and low power consumption, improving connectivity in rural areas with limited cellular or internet coverage. Maximum transmission distances of up to 1.5 km in urban environments and 2.5 km in open �elds were determined, with distances in�uenced by antenna installation height. This project serves as a foundation for the implementation of precision agriculture in Guatemala, enabling more e�cient and higher-yield farming practices. Keywords: greenhouse, environmental monitoring, LoRa technology, precision agricul- ture, remote sensing. xii CAPÍTULO 1 Introducción Las plantas hortícolas como el tomate, el pepino y el pimiento pertenecen a la categoría de plantas denominadas C3 y conforman un amplio porcentaje de las plantas que utilizamos como alimento. Con el constante aumento de la población, se ha desarrollado la necesidad de abastecer al mercado con estas hortalizas en cualquier época del año; una tarea difícil si solamente se cultivan en condiciones naturales. Estas plantas presentan un mejor desarrollo y crecimiento bajo ciertas condiciones ambientales que no se cumplen en todo momento del día ni durante todo el año. Por esta razón, el cultivo de estas hortalizas se realiza en invernaderos donde es posible controlar y garantizar las condiciones adecuadas para su cultivo y un mayor aprovechamiento. Con el avance continuo de la tecnología, se han desarrollado sistemas que permiten llevar un monitoreo y control preciso de las condiciones dentro de un invernadero, lo que incrementa el aprovechamiento de los cultivos. Algunos sistemas tienen la característica del monitoreo y control a distancia al implementar formas de comunicación inalámbrica como redes celulares o WiFi. Sin embargo, en lugares donde la señal de estas comunicaciones es de�ciente, no es posible implementar este tipo de sistemas y surge la necesidad de implementar otras formas de transmisión de datos a larga distancia. En este trabajo se presenta una propuesta para desarrollar una interfaz de monitoreo y control a distancia, de un invernadero a escala, para el cultivo de hortalizas C3. Se buscó medir y controlar magnitudes físicas como temperatura, humedad y raciación solar, así como implementar la comunicación inalámbrica utilizando tecnología LoRa cuya características principales son el envió de datos a larga distancia y un bajo consumo de energía. El sistema no sólo se encarga de medir y controlar las condiciones ambientales del invernadero sino que es capaz de mostrar la información al usuario sin importar dónde esté. 1 CAPÍTULO 2 Antecedentes Las tecnologías de comunicación inalámbrica han ido ganando terreno en los últimos años. Uno de sus principales usos es el monitoreo y control a distancia, esto permite acercar al usuario al entorno que desea controlar brindándole las herramientas para realizar medicio- nes o ejecutar acciones sin tener que estar presente. En el ámbito agrícola, estas tecnologías se han vuelto esenciales para el cultivo inteligente, ya que permiten medir parámetros clave como temperatura, humedad del suelo y radiación solar para optimizar los procesos de riego y ventilación. Existen distintos tipos de esta tecnología que varían en función de caracterís- ticas como rango, la velocidad de transmisión y el consumo de energía, adaptándose a las necesidades especí�cas de cada aplicación. 2.1. Sistema de transmisión inalámbrico de largo alcance El objetivo principal del proyecto desarrollado por José Ochoa en [1] fue el diseño y construcción de un sistema inalámbrico de largo alcance que permitiera realizar mediciones de temperatura. Esto con el objetivo de alertar de posibles incendios en el relleno sanitario de la Ciudad de Guatemala y poder garantizar la seguridad de los trabajadores que se encargan del manejo y clasi�cación de los desechos. El sistema se realizó mediante la implementación de ZigBee, un protocolo de comunicación inalámbrica similar a WiFi o Bluetooth, pero con la ventaja de que permite conectar una mayor cantidad de dispositivos (nodos) y reducir el consumo de energía para la transmisión de datos. Haciendo uso del módulo Digi XBee 3 en conjunto con un sensor de temperatura y un módulo de alimentación, se implementó una red de tipo malla para realizar el monitoreo y medición de la temperatura en distintos lugares del relleno sanitario. En este tipo de red, cada nodo tiene la capacidad de enviar sus propios datos al nodo coordinador (maestro) y también de recibir datos de otro nodo y enviarlos al coordinador. Este tipo de comunica- ción permitió aumentar la distancia de transmisión, por lo tanto, el sistema fue capaz de recolectar, transmitir la información y activar la alarma de manera exitosa. 2 El resultado más importante esta relacionado con la distancia de transmisión; se utilizó el software XCTU para realizar pruebas de rangos de comunicación y se determinó que la transmisión de los paquetes de datos fue efectiva hasta una distancia de 200 metros. En cuanto a los alcances del proyecto, solamente se realizó la medición de temperatura y activación de alarmas, por lo que otras aplicaciones podrían involucrar mayor cantidad de sensores (humedad, presión, etc.) y el desarrollo de una interfaz grá�ca para el análisis de información. Figura 1: Prototipo del sistema implementado por José Ochoa, el bombillo simula la alarma de emergencia. [1] 2.2. Implementación de una red de sensores inalámbricos para el monitoreo de variables físicas en cultivos hidropónicos mediante tecnología LoRa El objetivo principal del proyecto realizado por Jhonatan Loya en [2] fue implementar una red de sensores inalámbricos que permitiera realizar el monitoreo de variables físicas co- mo temperatura, humedad, nivel de agua y pH en cultivos hidropónicos de lechuga y tomate. Esto con el �n de optimizar los procesos de control y producción agrícola en Ecuador, consi- derando que estos cultivos requieren un monitoreo constante de las condiciones ambientales para un óptimo desarrollo. Se decidió construir la red de sensores para un sistema hidropó- nito tipo NFT que se caracteriza por emplear la técnica de bombeo para la recirculación de la solución que se ecarga de nutrir y oxigenar a las plantas. Se optó por utilizar tecnología LoRa para la transmisión de datos debido al bajo costo de dispostivos e implementación en comparación con otras tecnologías de comunicación inalámbrica de largo alcance. El nodo �nal, que se muestra en la Figura 2, se construyó utilizando sensores para las variables antes mencionadas y un Arduino Uno que utiliza un transceptor adicional para establecer comunicación con el receptor LoRa. Los datos obtenidos por los sensores se envían al receptor y este se encarga de la conexión con el servidor en la nube que permite almacenar la información en una base de datos para su posterior análisis. La red de sensores fue capaz de medir las variables físicas del cultivo, transmitirlas utilizando tecnología LoRa y mostrarlas al usuario �nal. De esto se destaca el hecho de que solamente se tuvo una pérdida del 3% de los paquetes de datos enviados, por lo que se concluyó que el sistema es apropiado para la transmisión de datos en tiempo real. 3 El proyecto no se limitó a la obtención y transmisión de datos, sino que también se enfocó en el desarrollo de una interfaz grá�ca que permitiera visualizar los datos de mejor manera, mediante grá�cas y estadísticas, y el control remoto de la bomba de agua instalada en el sistema de riego del cultivo. Figura 2: Implementación del nodo �nal para el monitoreo del cultivo hidropónico. [2] Figura 3: Interfaz grá�ca implementada para el monitoreo del cultivo hidropónico 4 2.3. Diseño de una red inalámbrica de baja potencia para la agricultura de precisión en la �Finca La Habana� - Villa Rica, Cauca El objetivo principal del trabajo realizado por Christian Salazar en [3] fue diseñar una red inalámbrica de bajo consumo energético y baja potencia de transmisión para el monitoreo de la humedad del suelo en la Finca La Habana cuyo principal cultivo es el maíz. Esto con el �n de optimizar los tiempos de riego y cantidad de agua utilizada para evitar la humedad excesiva o el estrés hídrico del cultivo. Para esto se implementó una red de comunicación basada en la técnica de modulación LoRa, en la que el nodo �nal se compone de un sensor de humedad, el microcontrolador ESP8266 y un módulo transceptor que se encarga del envió de datos mediante comunicación LoRa. Por otro lado, para la recepción de datos se construyó un receptor utilizando un transceptor del mismo tipo y el microcontrolador ESP32, como se observa en la Figura 4. El receptor es el encargado de establecer comunicación con la nube y enviar los datos re- colectados por el sensor para mostrarlos en un grá�co desde el host del servidor ThingSpeak de donde pueden ser descargados como un archivo tipo csv. También se realizaron simu- laciones utilizando el Radio Mobile Software para determinar las pérdidas de transmisión en dB y la cobertura de la red. Más allá de que el sistema cumplió con los requerimientos de funcionamiento al obtener y transmitir de forma exitosa los datos, el resultado que más destaca es el hecho de que el factor de dispersión (número de símbolos enviados por bit de información) permite adecuar los tiempos de transmisión de acuerdo con la cantidad de datos a transmitir, por lo tanto, un factor de dispersión menor se traduce a menor tiempo y menor distancia de transmisión. Respecto a los alcances del proyecto, se trabajó desde el diseño del PCB hasta la construcción del sistema, sin embargo, se limitó a la implementación de un solo nodo �nal con mediciones de una sola variable física. Figura 4: Circuito del gateway implementado en la red de baja potencia. [3] 5 CAPÍTULO 3 Justi�cación Los invernaderos aislan parcialmente a las plantas de las condiciones ambientales que varian constantemente en el exterior, tales como la temperatura, la humedad y la radia- ción solar. Esto permite tener un mejor control sobre dichas magnitudes y se garantizan condiciones óptimas para el desarrollo y crecimiento de los cultivos utilizando sistemas de riego para ajustar la humedad del suelo, sistemas de calefacción y ventilación para ajustar la temperatura y humedad del ambiente, así como mecanismos de sombra para la radiación solar [4]. Las plantas hortícolas como el tomate, el pepino y el pimiento pertenecen al grupo que los �siólogos vegetales denominan como C3 y, de acuerdo con Adalberto Benavides [5], el proceso de fotosíntesis de estas plantas tiene mayor e�ciencia en temperaturas de 25 ±5°C durante el día y 22 ±3°C durante la noche. También se tiene un mejor desarrollo, en relación al tamaño y fruto, cuando la radiación solar es menor a los 1000 umol de fotones de radiación. Por estas razones, las hortalizas tipo C3 se cultivan principalmente en invernaderos que permiten ajustar las condiciones a las requeridas por el cultivo, esto facilita la obtención de cosechas fuera de de la época normal de producción. Con base en lo anterior, se hace visible la necesidad de medir y corregir las magnitudes físicas dentro del invernadero con el objetivo de proporcionar las condiciones climáticas ade- cuadas para el crecimiento del cultivo y un mejor aprovechamiento del mismo. Considerando que estas estructuras se encuentran en campo abierto o lugares donde no se tiene cobertu- ra de protocolos Bluetooth o WiFi y, comunicaciones como las redes GSM/GPRS elevan el gasto económico y energético, la necesidad se extiende a tener una forma económica de transmitir la información de forma inalámbrica a un punto de control. 6 En el presente trabajo, como una forma de satisfacer la necesidad planteada, se propone el diseño e implementación de una interfaz que utilice sensores de temperatura, humedad y radiación solar para obtener información de las magnitudes físicas de un invernadero a escala y que sea capaz de procesar dicha información para activar los sistemas de riego, sombra y ventilación de forma automática para poder ajustar las condiciones climáticas. Con respecto a la transmisión de datos, se plantea el uso de la tecnología de comunicación inalámbrica LoRa cuyas características son la transmisión a largo alcance, cerca de 10 km en campo abierto, y un bajo consumo de energía por cada paquete de datos que se envía, haciendo más e�ciente los procesos actuales de comunicación via GSM/GPRS. El desarrollo y futura implementación de la interfaz bene�ciaría a las comunidades ru- rales de Guatemala cuya principal actividad económica es la agricultura, especí�camente en departamentos como Quiché, Petén, Alta y Baja Verapaz. La cobertura de redes celulares e internet en estos departamentos es baja en comparación con el resto [6]. El uso de tecnología LoRa facilitaría la implementación de las interfaces de medición y control de condiciones en invernaderos como el que se ubica en el Centro de producción de pilones de hortalizas MUNI-MAGA en Melchor de Mencos, Petén [7]. En este lugar se cultiva principalente chile jalapeño, tomate, cebolla, lechuga y apio, hortalizas que pertenecen al grupo C3. 7 CAPÍTULO 4 Objetivos 4.1. Objetivo general Diseñar e implementar una interfaz de medición y control de condiciones ambientales dentro de un invernadero a escala, utilizando tecnología LoRa como medio de comunicación inalámbrica. 4.2. Objetivos especí�cos De�nir los requerimientos de diseño, sensores y actuadores para el control del inver- nadero. Diseñar y construir un prototipo de invernadero a escala para el cultivo de hortalizas tipo C3. Diseñar y fabricar el módulo de medición de la interfaz de monitoreo y control. Realizar pruebas de comunicación entre el módulo de medición y el punto de acceso de la red LoRaWAN para de�nir rangos óptimos de transmisión. Implementar una interfaz grá�ca para mostrar los datos recolectados al usuario �nal. 8 CAPÍTULO 5 Alcance El proyecto consiste en la construcción de un invernadero a escala diseñado para monito- rear y controlar de manera automática las condiciones ambientales internas. La interfaz está equipada con sensores que miden temperatura, humedad relativa, radiación solar y humedad del suelo, proporcionando datos en tiempo real sobre el ambiente dentro del invernadero. Estos datos son procesados por un microcontrolador que se encarga de activar diferentes sistemas, como ventiladores, mecanismos de riego o de sombra, con el �nn de mantener las condiciones óptimas para el cultivo de hortalizas. Los alcances de este proyecto incluyen la capacidad de ajustar los niveles de temperatura y humedad según las necesidades especí�cas de los cultivos C3, reduciendo la tempertaura cuando se exceda el límite superior del rango óptimo o icrementando la humedad cuando esta sea menor al límite inferior del respectivo rango óptimo. También será capaz de bloquear o permitir la entrada de luz solar según la cantidad de radiación mediante un mecanismo de sombra retraíble y garantizar el suministro de agua al cultivo a través de un sistema de riego por aspersión. La interfaz se encarga de regular el entorno de forma automática, reduciendo la necesidad de intervenciones manuales constantes y mejorando la e�ciencia del invernadero. Este invernadero a escala también servirá como una plataforma de experimentación para desarrollar nuevas estrategias de comunicación a larga distancia, debido a que implementa tecnología LoRa y el protocolo LoRaWAN para la transmisión de datos a la nube y posterior visualización en una interfaz grá�ca. 9 CAPÍTULO 6 Marco teórico 6.1. Invernaderos El constante aumento de la población y la exigencia de productos de calidad en el mercado han provocado que la agricultura se vea obligada a desarrollar o adoptar nuevas ténicas y tecnologías que permitan mejorar tanto la calidad de los productos como el rendimiento de los recursos que se utilizan para obtenerlos. Una de esas ténicas es el cultivo de hortalizas en invernaderos. Estos se de�nen como estructuras que aislan al cultivo de las condiciones ambientales externas y permiten controlar la atmósfera interior (generalmente variables como la temperatura, humedad y radiación solar). Este control de condiciones hace posible el crecimiento y obtención de los cultivos fuera de temporada al mismo tiempo que se aumenta la e�ciencia de los recursos que se utilizan durante el proceso de cultivo. [8] Para poder tener el mayor aprovechamiento de la agricultura en invernaderos se deben considerar factores como la ubicación, orientación y diseño del invernadero, debido a que estos in�uyen directamente en la producción de las hortalizas. Para selecionar la ubicación es importante tener en cuenta la fertilidad, nivelación y drenaje del suelo así como la ausencia de fuertes corrientes de viento. También es necesario ubicar el invernadero fuera de las vías de circulación de animales que puedan dañar tanto la estructura como el cultivo en sí. Por otro lado, para seleccionar la orientación se debe considerar el recorrido del sol para aprovechar al máximo la radiación solar durante el día así como la dirección de las corrientes de viento que pudieran causar daños a la estructura del invernadero. [9] 10 6.1.1. Características generales Las características que no dependen del diseño o modelo del invernadero y lo destacan frente a otro tipo de estrucutras son las siguientes [10]: Cubierta traslúcida El material de la cubierta debe permitir el paso de la luz solar al interior del invernadero, comúnmente se utiliza un plástico transparente con protección UV y dispersores de luz, pero también existen cubiertas de vidrio o policarbonato. Figura 5: Cubierta traslúcida de un invernadero Estructura resistente La estructura debe tener la capacidad de soportar no solo el peso de la cubierta sino que también las condiciones climáticas del exterior e incluso las cargas que puedan aplicarse en el interior como cultivos aéreos o plantas en tutoreo (guiadas verticalmente). Figura 6: Ejemplo de estructura de un invernadero Control de temperatura Un invernadero debe ser capaz de mantener una temperatura óptima para el crecimiento de los cultivos en el interior. Los sistemas de ventilación ayudan a controlar las temperaturas elevadas mientras que para bajas temperaturas, dependiendo el tamaño del invernadero, pueden necesitarse calefactores. 11 Figura 7: Ejemplo de calefactor en un invernadero Control de humedad También debe ser capaz de controlar el porcentaje de humedad interior con el �n de mantener la salud de las plantas. Comúnmente se utilizan humi�cadores o nebulizadores, debido a que un porcentaje elevado de humedad favorece el desarrollo de enfermedades como hongos mientras que un porcentaje demasiado bajo induce estrés en el cultivo y afecta el crecimiento. Figura 8: Ejemplo de nebulizador para invernadero Sistema de ventilación Escencial para evitar las altas temperaturas y acumulación de humedad dentro del in- vernadero, puede ser simplemente paredes de malla agrícola que permitan la circulación de aire desde el exterior y una cortina de plástico para anular dicha circulación cuando no se requiere, o bien, ventiladores y extractores de aire que se encargan de dicha tarea de una forma más controlada. Figura 9: Sistema de ventilación de un invernadero 12 Sistema de riego Un sistema automatizado que facilita la dotación de la cantidad de agua requerida por las plantas. Los más comunes son el riego por goteo (el agua se distribuye gota por gota a cierta distancia de la planta), el riego por aspersión (el agua se distribuye en forma de llovizna) y el riego por nebulización (el agua se distribuye en forma de neblina a todo el cultivo). Figura 10: Sistema de riego por aspersión 6.1.2. Modelos de invernadero Túnel Es un modelo que ofrece gran resistencia a los vientos y capacidad de ajustarse a todo tipo de terreno por su fácil instalación. Se caracteriza por tener una estructura totalmente curva, es decir, no tienen paredes rectas sino que solamente arcos paralelos unidos entre sí. El volumen de aire retenido es relativamente pequeño por lo que se recomienda para cultivos pequeños como lechugas. [11] Figura 11: Invernadero tipo túnel Capilla Este modelo se caracterizan por tener un techo en forma de capilla (triangular) o cúpula (semicircular) que brinda una mayor altura en el centro y permite una mejor circulación del aire interior. Está pensado principalmente para climas templados o fríos y presentan gran resistencia a vientos fuertes, así como rápida instalación. [11] 13 Figura 12: Invernadero tipo capilla En Diente de sierra Es una variación de los invernaderos tipo capilla que se utiliza principalmente en zonas con climas cálidos, baja precipitación y altos niveles de radiación [12]. Se caracteriza por la forma particular del techo que en conjunto emulan los dientes de una sierra, tal como se observa en la Figura 13. Figura 13: Invernadero tipo diente de sierra Tipo Venlo Estos son los más utilizados en climas fríos debido a que están fabricados con materiales resistentes a la nieve y al aire, tales como aluminio extruido o acero galvanizado. Se destacan por no requerir de un gran mantenimiento, lo que suponen un ahorro de costo a largo plazo. Sin embargo, la abundancia de elementos estructurales implica una menor transmisión de luz al interior. [12] Figura 14: Invernadero tipo venlo 14 6.2. Hortalizas Se conocen como hortalizas a todas aquellas plantas que se cultivan en huertos y se destinan para el consumo humano. Pueden ingerirse de forma cruda o cocida mediante distintos métodos. Debido a la gran cantidad de hortalizas que se cultivan alrededor de todo el mundo, estas pueden clasi�carse por diferentes principios [13]: Clasi�cación botánica: Según el tipo de �or, estructura, genética y evolución. Se agru- pan en familias, géneros, especies y variedades. Por la e�ciencia en el proceso de fotosíntesis: Según la ruta que toman las plantas para convertir la energía lumínica en energía química. Se agrupan en hortalizas con ruta metabólica C3, C4 o CAM. Por requerimientos térmicos: Según la temperatura óptima para el crecimiento, se agrupan en hortalizas de estación fría o cálida. Por sus partes comestibles: Según las partes que se usan como fuente de alimento (hojas, tallo, raíz, �ores, frutos, bulbos o tubérculos). Por resistencia a heladas o bajas temperaturas: Se agrupan en hortalizas tolerantes, ligeramente tolerantes y no tolerantes. Por su ciclo de vida: Se considera la duración del tiempo entre siembra y cosecha, se agrupan en hortalizas anuales, bianuales y perennes (varios años de cosecha con una sola siembra). Por contenido de agua: Según el porcentaje de agua pueden agruparse en mayor de 90%, entre 80 y 90% y menor de 80%. Por tolerancia a la acidez del suelo: Según los niveles de pH a los que pueden tener un crecimiento y desarrollo óptimo. 6.2.1. Clasi�cación por e�ciencia en la fotosíntesis [14] Uno de los principios fundamentales que se debe tener en cuenta es que las plantas obtienen energía al utilizar recursos como el agua, luz solar y dióxido de carbono (CO2) en el proceso de fotosíntesis. Este proceso involucra reacciones fotoquímicas y bioquímicas que resultan en la obtención de los compuestos orgánicos requeridos por la planta y la liberación de oxígeno (O2) a la atmósfera. La fotosíntesis se completa en dos fases: Lumínica y Oscura. En la primera ocurre la transformación de la energía lumínica para obtener ATP y NADPH, que son formas de energía química. En la segunda se realiza la síntesis de glucosa �jando CO2 (añadiendolo a moléculas orgánicas) en combinación con la energía obtenida de la primera fase. Es en la fase oscura donde se diferencian las plantas tipo C3, C4 y CAM debido al primer compuesto que se obtiene durante el Ciclo de Calvin, el ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). 15 Las plantas tipo C3 abarcan cerca del 89% de todas las plantas vasculares del planeta y se caracterizan por formar el 3-PGA cuya estructura contiene 3 átomos de carbono (por eso la denominación C3) y es el compuesto base para la producción de glucosa, el alimento que la planta utiliza para desarrollarse. Sin embargo, la parte encargada de generar el 3-PGA utilizando CO2 puede utilizar oxígeno (O2) en su lugar y con esto provocar el fenómeno de fotorrespiración. Este fenómeno se caracteríza por desperdiciar la energía química obtenida (ATP) y reducir la capacidad de la planta para producir su alimento. La fotorrespiración se ve favorecida en condiciones que provocan estrés por alta temperatura o estrés hídrico en la planta. En las plantas tipo C4 el compuesto que se produce es el ácido oxaloacético cuya es- tructura contiene 4 átomos de carbono, de ahí la denominación C4. Este tipo de plantas han tenido una evolución del proceso de fotosíntesis que les permite inhibir el fenómeno de fotorespiración y tener mayor e�ciencia en cuanto al consumo de agua. Sin embargo, el porcentaje de plantas con estas características es bastante menor y no están adaptadas para tolerar el estrés hídrico. En este grupo destacan el maíz y la caña de azúcar. Por último, las plantas tipo CAM abarcan alrededor del 7% de las plantas vasculares y destacan no sólo por inhibir la fotorrespiración sino que también por la capacidad de soportar un estrés hídrico severo. Se encuentran principalmente en zonas cálidas y secas pero también pueden desarrollarse sin problema en zonas tropicales y subtropicales. Algunos ejemplos de plantas en este grupo son la piña y las orquídeas. Figura 15: Fotosíntesis en una planta 16 6.2.2. Condiciones ambientales y estrés en los cultivos Temperatura Las plantas C3 se desarrollan de manera óptima en un rango de temperatura que va de los 20°C a los 30°C; fuera de este rango, la e�ciencia de la fotosíntesis disminuye. Cuando la planta está expuesta a temperaturas bajas, las reacciones bioquímicas de la fotosíntesis se ralentizan y el crecimiento de la planta se ve limitado. En temperaturas que exceden los 30°C, las plantas experimentan estrés por calor y se favorece la fotorrespiración. Como se indicó anteriormente, en este fenómeno la enzima que se encarga de la �jación de CO2 utiliza oxígeno en su lugar. Por lo tanto, se desperdicia energía en la creación de moléculas que no se pueden utilizar para la formación de los azúcares que necesita la planta lo cual afecta su crecimiento. El calor excesivo también puede dañar proteínas y membranas celulares e inhibir la función de los cloroplastos, los encargados de realizar la fotosíntesis. Si el estrés térmico se mantiene, la planta puede mostrar síntomas como quemaduras en las hojas, crecimiento atro�ado y mayor susceptibilidad a enfermedades y plagas. Por esta razón, es importante mantener la temperatura por debajo de los 30°C durante el día. Humedad La humedad relativa del aire es un factor clave en la transpiración de las plantas, un pro- ceso en el que los estomas manejan la pérdida de agua. Los estomas son pequeñas aberturas en las hojas que también se encargan de realizar el intercambio de gases necesarios para la fotosíntesis. Cuando se enfrentan a la de�ciencia hídrica, las plantas tienden a cerrar sus estomas para evitar la deshidratación, lo que también restringe la entrada de CO2 que se utiliza para la fotosíntesis y afecta directamente el crecimiento de la planta. Una de�ciencia hídrica prolongada puede llevar al marchitamiento e incluso a la muerte de los tejidos de la planta. Las plantas C3 mantienen un delicado equilibrio entre la apertura de estomas para per- mitir la entrada de CO2 y la pérdida de agua. En condiciones de alta humedad, este balance es más fácil de mantener, mientras que en condiciones de baja humedad, las plantas pueden enfrentar estrés hídrico. La humedad relativa ideal para las hortalizas C3 en invernadero es del 60% al 80%. Niveles demasiado bajos pueden provocar deshidratación de las plantas, mientras que una humedad excesivamente alta puede favorecer el desarrollo de enfermedades fúngicas. Por otro lado, la humedad del suelo está directamente relacionada con la cantidad de agua disponible (un recurso esencial para el crecimiento y desarrollo de la planta). La im- portancia del agua radica en su función como medio de transporte de nutrientes, regulador térmico, y como componente esencial en la fotosíntesis. El agua es fundamental para disol- ver los nutrientes minerales presentes, como nitratos, fosfatos y potasio. Estos nutrientes son absorbidos por las raíces de las plantas a través de un proceso llamado absorción activa y pasiva. 17 Sin un suministro adecuado de agua, los nutrientes no pueden ser transportados e�cien- temente del suelo a las raíces, lo que resulta en de�ciencias nutricionales y un crecimiento limitado. El agua también es un componente esencial en la fotosíntesis, para la generación de glucosa y es crucial en la transpiración que ayuda a enfriar la planta, protegiéndola del estrés térmico. Por lo tanto, se debe garantizar el suministro de agua dentro del invernadero utilizando sistemas de riego. Intensidad de luz solar La luz es el principal factor que impulsa la fotosíntesis, la cantidad que una planta recibe afecta directamente en su capacidad para producir energía. En exceso, y en combinación con altas temperaturas, la luz puede ser perjudicial debido que las plantas C3 no están adaptadas para manejar altos niveles de radiación. Esto puede llevar a un exceso de energía que la planta no puede utilizar e�cientemente y que resulta en la generación de moléculas que pueden causar daño a las células vegetales, comprometiendo la capacidad de la planta para crecer y reproducirse. La luz se mide comúnmente en términos de intensidad (lux), sin embargo, la radiación fotosintéticamente activa (PAR) cuyas unidades son µmol/m²/s es una medida más relevante para la fotosíntesis y representa la cantidad de luz que las plantas pueden utilizar. En las en plantas C3, la fotosíntesis ocurre principalmente bajo la luz cuya longitud de onda se encuentra en el rango de 400 a 700 nm y una densidad de �ujo de fotones entre 200 a 800 µmol/m²/s. La e�ciencia fotosintética puede variar dependiendo de la calidad de la luz, siendo más efectiva bajo luz solar natural que bajo luces arti�ciales de espectro limitado. La fotoinhi- bición puede ocurrir bajo condiciones de luz excesiva, especialmente si las plantas también están bajo estrés térmico o hídrico. Las hortalizas C3 necesitan una buena cantidad de luz, en peridos de 12 a 16 horas de luz diaria. Sin embargo, la luz directa e intensa puede ser perjudicial, por lo que se utilizan coberturas de sombreado en días soleados. Las hortalizas tipo C3 como el tomate, la lechuga, el pimiento y el pepino, requieren condiciones ambientales especí�cas para optimizar su desarrollo en las distintas fases de crecimiento. El Cuadro 1 muestra las condiciones óptimas de temperatura, humedad relativa e intensidad de luz necesarias para cada cultivo en sus diferentes fases y jornadas. 18 Cultivo Fase Jornada Temperatura Humedad Radiación (°C) Relativa (%) (µmol/m²/s) Tomate Desarrollo Diurna 23 a 26 60 a 80 400 a 600 Nocturna 13 a 16 Floración Diurna 23 a 26 Nocturna 15 a 18 Maduración N/A 15 a 22 Lechuga N/A Diurna 15 a 18 60 a 70 200 a 300 Nocturna 5 a 8 Pimiento Germinación N/A 20 a 25 50 a 70 400 a 600 Crecimiento Diurna 20 a 25 Nocturna 16 a 18 Fructi�cación Diurna 26 a 28 Nocturna 18 a 20 Pepino Germinación N/A 27 60 a 70 (día) 300 a 500 Formación Diurna 21 Nocturna 19 70 a 90 (noche) Fructi�cación Diurna 19 Nocturna 16 Cuadro 1: Condiciones óptimas para el cultivo de algunas hortalizas tipo C3 [8]. 6.3. Internet de las cosas [15] El Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) es un concepto que ha estado abriendose camino con el paso de los años y es característico en la mayoría de sistemas inalámbricos e inteligentes. El término hace referencia a la interconexión de dispositivos cotidianos por medio de internet, permitiendo la recopilación y transmisión de información del mundo a nuestro alrededor sin necesidad de una conexión física entre dispositivos. El IoT tiene apicaciones en electrodomésticos, sensores industriales, dispositivos médicos e incluso algunas más complejas como robots y vehículos autónomos. Uno de los temas principales que aborda el IoT es la conectividad, esto debido a que los dispositivos necesitan intercambiar información a traves de la nube para poder operar. También toma en consideración el consumo de energía, este depende del tipo y cantidad de datos que se desan compartir y se ve re�ejado en el costo de operación de los dispositivos. 6.3.1. Tecnologías de comunicación inalámbrica Este tipo de tecnologías permiten la interconexión de dispositivos sin la necesidad de cables físicos. Actualmente existen diversos tipos que se utilizan para diferentes propósitos, por lo tanto, se consideran los siguientes factores para diferenciar cada tipo: 19 Rango de transmisión entre emisor y receptor Ancho de banda, o bien, la velocidad a la que envían los datos Consumo de energía de los dispositivos En la grá�ca de la Figura 16 se muestran las tecnologías inalámbricas más comunes y cómo di�eren entre sí considerando su velocidad (ancho de banda) y rango de transmisión. Figura 16: Tecnologías de comunicación inalámbrica Redes de bajo consumo y área extensa (LPWAN) Por sus siglas en ingles,Low Power Wide Area Networks, son un tipo de tecnología in- alámbrica que se caracteriza por un bajo consumo de energía. Los equipos pueden operar con baterías durante años, o bien, unicamente con la energía que prove un panel solar. También se caracterían por un largo alcance de comunicación que va desde 2 a 5 km en ambientes urbanos y más de 10 km en ambientes rurales. Se utilizan principalmente en aplicaciones que rquieren la transmisión de pequeños paquetes de datos a largas distancias. Algunos ejemplos de este tipo de tecnologías son: Sigfox: De las primeras tecnologías de este tipo, utiliza radiofrecuencia y opera en el espectro no licenciado (libre) de los sub-Gigahertz. Narrowband-IoT (BNIoT): Utiliza el espectro licenciado (pagado), los dispositivos de- ben contar con tarjetas SIM para operar. LoRa: También utiliza el espectro libre de los sub-Gigahertz. Se fundamenta en la modulación por radio Chirp Spread Spectrum que se utiliza para comunicación militar y espacial. 20 6.4. LoRa [15] LoRa (Long Range) es una de las tecnologías LPWAN que reduce el costo de dispositivos alimentados por batería y encargados de enviar pequeños paquetes de datos a larga distancia. Algunas aplicaciones donde se utiliza esta tecnología son el monitoreo de espacios libres en estacionamientos, medidores de humedad del suelo para control de sistemas de riego y seguimiento de animales salvajes en su ambiente natural. Para lograr una comunicación inalámbrica es necesario implementar una técnica de mo- dulación para transformar los datos (almacenados en formato de bits) en ondas electro- magnéticas que se propagan por el aire. Como se mencionó anteriormente, LoRa emplea la modulación Chirp Spread Spectrum para realizar la transformación y de esta manera transmitir datos a larga distancia y con mayor tolerancia al ruido e interferencias. La velocidad de transmisión con tecnología LoRa puede ir desde los 300 bps hasta los 11 kbps, por lo tanto, no es apta para el envío de imágenes o música. Se utiliza principalmente para el envío de datos captados por sensores o instrucciones de control para los dispositivos �nales. El tamaño máximo del paquete de datos que se puede enviar depende de la región debido a que las regulaciones del espectro electromagnético son diferentes, por ejemplo, en Europa se tiene un máximo de 222 bytes a 11 kbps. Figura 17: Logotipo de la tecnología LoRa 6.4.1. The LoRa Alliance Esta es una organización sin �nes de lucro que está conformada por miembros desa- rrolladores del sistema IoT mediante tecnologías LPWAN. La organización se encarga de desarrollar y mantener el estándar LoRaWAN, así como las especi�caciones libres y globales para la seguridad de los datos y conectividad mediante LPWAN. Cuentan con un programa de certi�cación que se encarga de evaluar los dipositivos desarrollados por terceros y veri�car que estos cumplan con el estándar LoRaWAN y puedan ser implementandos en las redes de LoRaWAN. 21 6.4.2. LoRa y LoRaWAN Como se mencionó anteriormente, LoRa es una tecnología LPWAN cuya técnica de modulación permite transformar datos en señales de radio frecuencia que se propagan por el aire. Por otro lado, LoRaWAN es un protocolo de software que emplea LoRa como su capa física. Los estándares de este protocolo de�nen la estructura de los paquetes de datos, cómo se deben cifrar para la transmisión y cómo se deben procesar en el servidor. El modelo OSI por sus siglas en inglés Open System Interconnection, es un marco con- ceptual que se utiliza para describir las funciones de un sistema de red. En este modelo las comunicaciones dentro de un sistema informático se dividen en siete capas de abstracción: física, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación. Con base en este modelo, se de�ne la tecnología LoRa como la capa física mientras que LoRaWAN abarca las dos capas superiores del modelo (enlace de datos y red), tal como se muestra en la Figura 18. Figura 18: Diagrama de distribución de capas de LoRaWAN Al igual que otros protocolos como WiFi o Bluetooth, LoRaWAN esta diseñado para operar a frecuencias especí�cas, menores a 1 GHz (sub-GHz). Estas frecuencias se encuentran en el rango de las ISM bands (bandas industriales, cientí�cas y médicas). Usar este tipo de bandas para la transmisión de datos no requiere de licencias otorgadas por las autoridades de telecomunicaciones, son libres y están destinadas para su uso en equipos industriales, cientí�cos y médicos. En la Figura 19 se muestran las bandas ISM que se emplean en las distintas regiones del mundo. En Europa, la banda denominada EU868 abarca el rango de frecuencias de 863 a 870 MGz, cuenta con 8 canales para envío de datos (uplink) con velocidades de hasta 5.5 kps, 1 canal para envío con velocidad de 11 kbps y 1 canal cuya velocidad es de 50 kbps. Por otro lado, en América la banda denominada US915 abarca el rango de frecuencias de 902 a 928 MHz, cuenta con 64 canales diferentes de los que algunos son dedicados únicamente para envío o recepción. 22 Figura 19: Bandas ISM sub-GHz alrededor del mundo A pesar de que el espectro utilizado es libre, se deben cumplir ciertas regulaciones al momento de implementar una red LoRaWAN. Estas regulaciones son diferentes en cada región. En Europa se deben respetar los ciclos de trabajo de transmisión y deben ser de 0.1, 1 y 10%, esto signi�ca que los dispositivos pueden enviar datos durante una cantidad de tiempo limitada por cada hora. En Norte América, no se regula el ciclo de trabajo sino que se controla el tiempo de transmisión (time on air ) el cual debe ser menor a 400 ms. 6.4.3. Arquitectura LoRaWAN [15] Los componentes principales de una red LoRaWAN son los siguientes: Dispositivos �nales: También son conocidos como nodos y se encargan de recolectar datos del exterior y enviarlos a través de LoRaWAN. Los más comunes son sensores y actuadores. Gateways: Estos dispostivos son los que se encargan de establecer conexión entre los nodos y el servidor de red. Pueden conectarse al servidor a través de WiFi, Ethernet o la red de datos móviles mediante una tarjeta SIM. Servidor de Red: Es el software que se encarga de gestiornar la red y dictar la lógica de la comunicación entre los nodos y el Gateway. Realiza la autenticación y activación de dispositivos. Servidor de aplicación: Es el software que recibe y almacena los datos procesados por el servidor de red. Recibe peticiones y da una respuesta con la información solicitada. 23 Figura 20: Arquitectura de una red LoRaWAN Nodos Son los dispositivos que utilizan sensores para medir magnitudes físicas y de esta manera recolectar datos para enviarlos implementando la tecnología LoRa. También son capaces de recibir instrucciones que permiten modi�car su con�guración o realizar una tarea por medio de actuadores. El uso de la tecnología LoRa les permite operar con baterías durante meses e incluso años. Pueden operar en tres modos (Clase A, B o C) cuya diferencia es cuándo el dispositivo puede recibir mensajes desde el servidor lo cual in�uye en el consumo de energía. Pueden operar en cualquiera de los tres modos y cambiar de uno a otro cuando se requiera. Clase A: Es el modo más utilizado, el envío de datos se puede hacer en cualquier momento mientras que la recepción ocurre solo después de haber completado un envío. En este modo, es el dispositivo el que siempre inicia la comunicación con el servidor y, por lo tanto, es el modo con mayor e�ciencia en cuanto a consumo de energía. Clase B: Bajo este modo de operación, los dispositivos pueden recibir mensajes en intervalos de tiempo especí�cos, es decir, crean una ventana de recepción cada cierto tiempo. Se utilizan marcas para sincronizar los tiempos con la red y se tiene mayor consumo de energía que la clase A. Clase C: En este modo los dispositivos pueden recibir mensajes desde el servidor en cualquier momento. Siempre están a la espera de recibir datos y la antena está siempre encendica, por lo tanto, es el modo que genera el mayor consumo de energía. 24 Gateways También se conocen como hotspots o puntos de acceso, estos se encargan de recibir los paquetes de datos que contienen la información captada por los nodos y enviarlos al servidor de red. También reciben instrucciones del servidor y las envían a los nodos, por lo tanto, son el puente entre los dispositivos �nales y el servidor de red. Bajo esta premisa, los gateway transforman las señales moduladas a bits que luego envián al servidor de red utilizando alguna conexión a internet como WiFi, Ehternet o por la red celular (GPRS). Además de los datos enviados por los nodos, los gateways envían metadatos que permiten tener mayor información sobre lo que esta comunicando el dispositivo �nal. La intensidad de la señal, la tasa de ruido, el tiempo de llegada del mensaje, el canal utilizado y la velocidad a la que se envió el mensaje son algunos de los metadatos que el gateway añade a la información que envía al servidor. Los gateways sólo trasladadan la información, se encargan de modular o demodular los paquetes de datos y no se interesan por saber a qué red LoRaWAN están asociados cada uno de los nodos. Esto les da la capacidad de manejar un gran número de paquetes y de escuchar en multiples canales al mismo tiempo. Los nodos pueden enviar datos en cualquier momento porque los gateways siempre están escuchando, la cantidad de canales que un gateway puede escuchar varía entre 1, 8, 16 e incluso 64 (dependiendo el hardware y la región donde opere). Figura 21: Ejemplo de un gateway para la red LoRaWAN Servidor de red Este es el componente central de cualquier red LoRaWAN, tiene la lógica necesaria para gestionar la red y enviar datos a otros servidores como el servidor de aplicación. El servidor de red es responsable de las siguientes tareas: 25 Consolidación de mensajes: A este servidor pueden llegar varias copias del mismo mensaje que provienen de distintos gateways, por lo tanto, el servidor debe dar un seguimiento, analizar y consolidar un solo mensaje. Enrutamiento: El servidor debe decidir cuál es la mejor ruta o el mejor gateway para enviar mensajes del servidor a los nodos. Esto lo hace considerando la intensidad de la señal recibida y la relación señal-ruido de los paquetes que llegan. Control de red: Se toma en consideración la calidad del enlace para que el servidor pueda decidir cuál es el mejor factor de dispersión (velocidad de comunicación) para un nodo �nal. Supervisión de red y gateways: Dispone de una inferfaz de supervisión de gateways que permite gestionarlos y manejar situaciones de falla o monitoreo de alarmas 6.4.4. Flujo de datos en una red LoRaWAN Envío de mensajes desde un nodo (uplink) El nodo transmite el mensaje y este es recibido por todos los gateways dentro del rango Cada gateway se encarga de enviar el mensaje al servidor de red El servidor de red analiza todos los mensajes y los consolida en uno solo, en este se incluye la calidad de la señal recibida desde el gateway El servidor de red reenvía el mensaje al servidor de aplicación utilizado El servidor de aplicación descifra los datos de la carga útil Envío de mensajes desde el servidor (downlink) El servidor de aplicación encripta los datos y los reenvía al servidor de red. El servidor de red selecciona el mejor gateway y envía una respuesta que se transmite al nodo �nal. 6.4.5. Factor de Dispersión [15] El factor de dispersión (SF) es un parámetro que permite modi�car la velocidad a la que se envían los datos desde el dispositivo �nal, este factor puede adquirir valores enteros entre 7 y 12. Utilizar un SF pequeño resulta en una mayor velocidad de datos y menor tiempo en el aire, por otro lado, un SF grande implica una menor velocidad de datos y mayor tiempo en el aire, tal como se muestra en la grá�ca de la Figura 22 26 Figura 22: Factor de dispersión (SF) vs velocidad y tiempo en el aire Un factor de dispersión de 7 (SF7) es el valor más utilizado debido a que tiene la mayor velocidad de datos y, por lo tanto, menor tiempo en el aire y menor consumo de energía. Sin embargo, se debe considerar que las velocidades altas de transmisión tienen mayor probabi- lidad de pérdida de datos al recorrer largas distancias, esto requeriría aumentar el SF para incrementar el alcance. Incrementar el SF trae consigo un aumento del consumo de energía y reducción la velocidad de transmisión, esto provoca que el proceso de comunicación sea más lento. Considerando lo anterior, es necesario determinar un factor de dispersión óptimo para garantizar el envío de todos los datos en el menor tiempo posible. El protocolo LoRaWAN tiene la capacidad de adaptar de forma automática el SF de cada nodo, esta capacidad se conoce como Adaptative Data Rate (ADR) y permite optimizar la red, así como facilitar la escalabilidad de la misma. Al momento de añadir un gateway a la red, los dispositivos �nales modi�can su SF para cumplir con el requisito de transmisión completa en el menor tiempo posible. La modi�cación automática del SF se logra cuando el servidor de red recibe los mensajes y evalúa la intensidad de la señal de cada uno. Si la intensidad es alta entonces el SF puede ser pequeño, ocurre lo contrario cuando la intensidad es baja. Finalmente, el servidor envía un mensaje al nodo con la instrucción de que este debe modi�car su SF para optimizar la comunicación. Es importante resaltar que el ADR no es válido para dispositivos en movi- miento debido a que en un momento pueden estar en el rango de ciertos gateways, pero al instante siguiente ya no estan en ese mismo rango. 6.4.6. Indicadores de calidad de señal [16] Los indicadores de calidad de señal son métricas utilizadas para evaluar la e�ciencia y contabilidad de una señal de comunicación en un sistema de transmisión de datos. Estos indicadores miden aspectos clave de la señal, como su potencia, claridad y capacidad para sobreponerse al ruido y las interferencias. Los indicadores de calidad en una red LoRaWAN se describen a continuación. 27 Received Signal Strength Indicator (RSSI) Indica la potencia de la señal recibida, se mide en dBm (decibelios relativos a un miliwatt) y su valor es negativo debido a que representa la atenuación de la señal. Puede emplearse como una medida de que tan bien un dispositivo receptor puede �escuchar� la señal de un emisor. Valores más cercanos a 0 dBm indican una señal más fuerte mientras que valores más negativos indican una señal más débil. Por ejemplo, un valor de -40 dBm indica una señal fuerte en comparación con un valor de -120 dBm que indica una señal muy débil. Figura 23: RSSI en una red LoRaWAN Signal-to-Noise Ratio (SNR) Este valor indica la relación entre la potencia de la señal y el nivel de ruido de fondo; se mide en decibelios (dB). Un SNR positivo signi�ca que la señal es más fuerte que el ruido, mientras que un SNR negativo indica que el ruido es mayor que la señal. Por lo tanto, un SNR de 10 dB es una señal buena, mientras que un valor de -10 dB representa una señal muy débil en comparación con el ruido. Figura 24: SNR en una red LoRaWAN 6.4.7. Pérdida de trayectoria La pérdida de trayectoria (PL por sus siglas en inglés) es un concepto fundamental en el análisis de la propagación de señales inalámbricas. Representa la atenuación que sufre una señal al viajar desde un transmisor hasta un receptor debido a diversos factores, como la dispersión, la absorción y la difracción en el entorno. Comprender y modelar esta pérdida es esencial para diseñar sistemas de comunicación e�cientes, especialmente en entornos com- plejos como áreas urbanas. En el diagrama de la Figura 25 se observa que la potencia de transmisión sufre de atenuación a medida que viaja a mayores distancias. 28 Figura 25: Pérdida de trayectoria de una señal inalámbrica Pérdida neta La ecuación de pérdida neta es una forma directa y observacional de calcular PL consi- derando la potencia de transmisión y la potencia de recepción (RSSI). Esta ecuación pro- porciona una medida exacta de la pérdida de señal en una distancia especí�ca, sin asumir ningún modelo de propagación particular. Es útil en experimentos prácticos donde se tiene información o es posible medir las potencias de transmisión y recepción. PL(d) = Ptx −RSSI (1) Donde: PL(d): Pérdida de trayectoria neta a una distancia d, expresada en decibelios (dB). Ptx: Potencia de transmisión, medida en decibelios-milivatio (dBm). RSSI: Potencia captada por el receptor, medida en decibelios-milivatio (dBm). Modelo logarítmico de pérdida de trayectoria A diferencia de la ecuación de pérdida neta, los modelos teóricos de propagación con- sideran factores ambientales que in�uyen en la atenuación de la señal. Uno de los modelos más comunes es el modelo logarítmico de pérdida de trayectoria que se representa mediante la Ecuación 2. Este modelo permite estimar la pérdida de señal a distancias no medidas y es ampliamente utilizado en el diseño y optimización de redes inalámbricas. Sin embargo, sus parámetros deben ajustarse mediante experimentos para representar con precisión un entorno especí�co. PL(d) = PL(d0) + 10n · log10 ( d d0 ) (2) 29 Donde: PL(d): Pérdida de trayectoria teórica a una distancia d, expresada en decibelios (dB). PL(d0): Pérdida de trayectoria a una distancia de referencia d0, expresada en decibelios (dB). d: Distancia entre el transmisor y el receptor, medida en metros (m). d0: Distancia de referencia, medida en metros (m). n: Exponente de pérdida de trayectoria, adimensional y es dependiente del entorno. 6.5. Free RTOS [17] FreeRTOS es un sistema operativo en tiempo real (RTOS por sus siglas en inglés) diseña- do especí�camente para microcontroladores y sistemas embebidos. Se utiliza en aplicaciones que requieren la ejecución simultánea y programada de múltiples tareas, garantizando que cada una se ejecute en un marco de tiempo especí�co, algo crucial cuando el tiempo de respuesta es crítico, como en sistemas de control industrial, dispositivos médicos y automo- trices. A diferencia de un sistema secuencial, donde una tarea debe esperar a que la tarea anterior termine para poder ejecutarse, FreeRTOS permite que las tareas se ejecuten de forma concurrente, tal como se muestra en la Figura 26, haciendo que el sistema sea más e�ciente. FreeRTOS garantiza que las tareas críticas se ejecuten en el tiempo necesario y también facilita el mantenimiento y la actualización del sistema debido a que cada tarea está aislada. Figura 26: Programación secuencial vs FreeRTOS 30 6.5.1. Propiedades Priorización: Cada tarea puede tener un nivel de prioridad diferente. Por ejemplo, una tarea encargada de realizar la lectura de sensores podría tener una prioridad más alta para garantizar la obtención de datos. Plani�cación: FreeRTOS se encarga de la plani�cación de las tareas, si una tarea de lectura de sensores está con�gurada para ejecutarse cada 5 segundos, FreeRTOS se encarga de activarla, ejecutar el código, y luego ponerla en espera hasta que se cumpla el siguiente período de 5 segundos. Sincronización: Utiliza mecanismos de sincronización entre tareas, como colas o se- máforos, para asegurarse de que no se realice una tarea determinada sin antes haber completado otra. Por ejemplo, una tarea de comunicación serial necesita esperar hasta que los datos sean obtenidos y procesados para poder enviarlos. La Figura 27 resume las propiedades de FreeRTOS, en esta se observa el manejo de prioridades considerando que las tareas B y C tienen una prioridad mayor que la tarea A y se realizan antes. Por otro lado, también se observa la plani�cación y sincronización considerando que la tarea C se ejecuta únicamente después de haber completado la tarea B. Figura 27: Propiedades de FreeRTOS 6.5.2. Queues En FreeRTOS, las queues (colas) son una de las herramientas fundamentales para la comunicación y sincronización entre tareas. Son estructuras de datos FIFO (First In, First Out) que permiten a las tareas enviar y recibir datos asegurando que la información se transmite de forma ordenada y sin con�ictos de acceso. Pueden almacenar cualquier tipo de datos, desde enteros y punteros hasta estructuras complejas. Las colas se utilizan en diversas situaciones, especialmente cuando se necesita pasar datos entre tareas que se ejecutan en diferentes momentos o con diferentes prioridades. Algunos ejemplos que involucran el uso de colas son: 31 Productor/Consumidor: Una tarea genera datos (productor) y los coloca en una cola, mientras que otra tarea los consume (consumidor) desde la cola. Sincronización entre tareas: Una cola puede utillizarse para sincronizar tareas, por ejemplo, una tarea espera a que otra termine de procesar los datos antes de continuar. Comunicación entre tareas y ISR: Las colas permiten que una ISR (interrupción) pase datos a una tarea, esto puede ser crucial para manejar eventos generados por hardware. En la Figura 28 se puede observar que las tareas A y C se encargan agregar ciertos valores a la cola con el objetivo de que los datos llegen a la tarea B. También se observa que el primer dato en entrar a la cola es el primero en salir, en este caso, el dato colocado por la tarea A. Figura 28: Queue en FreeRTOS 6.6. ESP-IDF [18] ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) es un entorno de desarrollo de softwa- re ampliamente utilizado para programar microcontroladores ESP32 y ESP8266, fabricados por Espressif Systems. Este framework proporciona un conjunto completo de herramientas, bibliotecas y ejemplos que permiten a los desarrolladores crear aplicaciones para dispositivos IoT de manera e�ciente. Entre sus características destacan las siguientes: Modularidad: Está diseñado con una arquitectura modular, por lo tanto, las funcio- nalidades se divien en componentes independientes. Esto permite a los desarrolladores incluir solo los módulos necesarios en su aplicación, optimizando el uso de recursos. Soporte multiplataforma: Es compatible con múltiples sistemas operativos, incluyendo Windows, macOS y Linux. Además, utiliza CMake y Python como herramientas prin- cipales para la con�guración y compilación, lo que facilita su integración en distintos entornos de desarrollo como VS Code. Sistema operativo FreeRTOS: Integra FreeRTOS, un sistema operativo en tiempo real (RTOS) que permite a los desarrolladores crear aplicaciones multitarea con e�ciencia y control sobre la ejecución de procesos concurrentes. 32 Soporte extenso de periféricos: Soporta una amplia gama de periféricos como GPIO, I2C, SPI, UART, ADC, DAC y PWM, facilitando la interacción con diversos sensores y dispositivos externos. ESP-IDF está optimizado para los microcontroladores de Espressif, lo que permite un rendimiento más e�ciente y acceso directo a características avanzadas del hardware. Al estar basado en FreeRTOS, ofrece un control detallado sobre la ejecución de tareas y el uso de recursos. Además, Espressif proporciona documentación o�cial detallada y soporte continuo para el framework. Figura 29: Espressif ESP-IDF 6.7. The Things Network [19] The Things Network (TTN) es una plataforma global de infraestructura de red diseñada para dispositivos IoT que implementan el protocolo LoRaWAN. Permite a desarrolladores y empresas conectar sus nodos sin necesidad de invertir en una infraestructura propia. Se caracteríza por la capacidad de manejar una gran cantidad de dispositivos y un rango de comunicación que puede cubrir hasta varios kilómetros, ideal para aplicaciones en ciudades inteligentes, agricultura y monitoreo remoto. TTN funciona mediante la instalación de los gateways LoRaWAN que reciben las señales de los nodos y las envían al servidor de red. Entre sus ventajas destacan la escalabilidad, la facilidad de integración con diversas plataformas de análisis de datos, y su enfoque en la comunidad, permitiendo a los usuarios compartir infraestructura y reducir costos. Además, su naturaleza abierta y colaborativa fomenta la innovación y la expansión del IoT en todo el mundo. Figura 30: Logotipo de The Things Network 33 6.7.1. The Things Stack The Things Stack implementa el software requerido para la gestión de redes LoRaWAN de forma segura y escalable. Ofrece un conjunto de características robustas que incluyen soporte para múltiples aplicaciones, dispositivos y usuarios, así como la capacidad de manejar redes privadas y públicas. The Things Stack permite la gestión e�ciente de dispositivos LoRaWAN a través de características como el control de autenticación y encriptación, la administración de actualizaciones por aire (OTA), y la integración con servicios en la nube y sistemas empresariales. Su arquitectura facilita la personalización y expansión, permitiendo a las organizaciones adaptar la plataforma a sus necesidades especí�cas. Entre sus ventajas destaca el alto nivel de seguridad y su compatibilidad con estándares abiertos, lo que asegura la interoperabilidad con otros sistemas y dispositivos LoRaWAN. The Things Stack es ideal para implementa- ciones a gran escala en sectores como la agricultura, la logística, las ciudades inteligentes y la industria, ofreciendo una solución IoT integral y adaptable. Para utilizar este servidor es necesario crear una cuenta de TTN para poder acceder a la consola de The Things Stack y registrar los gateways y nodos que se desean implementar en la red LoRaWAN, por lo tanto, es necesario conocer los EUI (identi�cadores) de cada dispositivo y el AppKey que se utilizará para autenticar los nodos y que el servior pueda aceptar y desencriptar los datos que cada uno envía. 6.7.2. Ubidots Ubidots es una plataforma IoT que permite a los usuarios capturar, visualizar y analizar datos en tiempo real provenientes de los dispositivos conectados. Está diseñada para facili- tar la creación de aplicaciones IoT personalizadas sin necesidad de un desarrollo complejo, ofreciendo una interfaz intuitiva y herramientas para la gestión de datos y dispositivos. Se caracteriza por la capacidad de crear dashboards interactivos, la integración con una amplia variedad de protocolos y dispositivos IoT, y la posibilidad de generar alertas y noti�caciones basadas en reglas de�nidas por el usuario. Ubidots facilita la integración con servicios exter- nos y sistemas heredados, como The Things Stack, lo que la convierte en una herramienta �exible que aprovecha el IoT para mejorar la toma de decisiones y optimizar operaciones en sectores como la manufactura, energía, salud, entre otros. Figura 31: Logotipo de la plataforma Ubidots 34 CAPÍTULO 7 Requerimientos de diseño 7.1. Selección de características Partiendo de las características generales de un invernadero (sección 6.1.1) y conside- rando las condiciones ambientales óptimas para plantas C3 (sección 6.2.2), se decidió imple- mentar las siguientes características en el invernadero a escala: Monitoreo de temperatura y humedad relativa Monitoreo de humedad del suelo Monitoreo de cantidad de luz solar Sistema de riego por aspersión Sistema de ventilación Sistema de sombra El Cuadro 2 muestra las variables monitoreadas y el sistema de control de condiciones que corresponde a cada una. 35 Variable Sistema Temperatura Ventilación Humedad del suelo Riego Humedad relativa Ventilación Radiación solar Sombra Cuadro 2: Relación entre las características del invernadero Considerando que se trata de un invernadero a escala y que el diseño se hará para un ambiente con clima cálido (como el departamento de Petén donde las temperaturas promedio oscilan entre 25°C y 30°C durante todo el año), el invernadero no tendrá un sistema de calefacción. 7.2. Selección de componentes La implementación de las características seleccionadas requiere sensores que se encargen de realizar mediciones de las cantidades físicas y también actuadores que se encarguen de po- ner en marcha los sistemas. Además, se debe contar con un microcontrolador que se encargue de procesar la información recolectada y los componentes necesarios para la implementación de la red LoRaWAN. 7.2.1. Sensores Temperatura Para el monitoreo de la temperatura y humedad ambiental se decidió utilizar el sensor AHT10. En el Cuadro 3 se muestra una comparación de tres sensores entre los que destaca el AHT10 debido a que posee mayor rango de medición, menor incertidumbre, menor consumo de energía y menor precio. La interfaz de comunicación con el sensor también in�uyó en la selección debido a que con I2C no es necesario desarrollar por completo un protocolo de recepción de datos, como en el caso del Digital single-bus, debido a que ESP-IDF ya incluye una biblioteca para el uso de I2C. Sensor DHT11 DHT22 AHT10 Interfaz Digital single-bus Digital single-bus I2C Voltaje de alimentación (V) 3 - 5.5 3.3 - 6 3.3 - 5 Corriente de operación (mA) 0.5 - 2.5 1 - 1.5 0.023 Potencia de operación (mW) 1.65 - 8.25 3.3 - 4.95 0.076 Rango de humedad (% RH) 20 - 90 ±5 0 - 100 ±2 0 - 100 ±2 Rango de temperatura (°C) 0 - 50 ±2 -40 a 80 ±0.5 -40 a 85 ±0.3 Precio (Q) 35 50 40 Cuadro 3: Características de los sensores de temperatura 36 Figura 32: Sensor de temperatura y humedad relativa - AHT10 Humedad del suelo Para el monitoreo de la humedad del suelo se decidió utilizar un sensor de humedad del tipo capacitivo. En el Cuadro 4 se muestra una comparación de dos sensores que se utilizan para el monitoreo de esta variable. A pesar de que el sensor resistivo tiene menor costo, la elección se realizó con base en la vida útil y el consumo de energía. Tipo de sensor Resistivo Capacitivo Señal de salida Digital y analógica Analógica Voltaje de alimentación (V) 3.3 - 5 3.3 - 5.5 Corriente de operación (mA) 35 5 Potencia de operación (mW) 115.5 16.5 Vida útil 3 a 6 meses 3 años (mín.) Precio (Q) 25 50 Cuadro 4: Características de los sensores de humedad del suelo Figura 33: Sensor capacitivo de humedad del suelo 37 Radiación solar Para el monitoreo de la cantidad de luz solar dentro del invernadero se decidió utilizar el sensor TSL2561. En comparación con los demás sensores que se muestran en el Cuadro 5, el TSL2561 presenta una mayor captación de longitud de onda (mayor rango de medición). A pesar de que la intensidad de luz medida por el sensor se expresa en luxes, la conversión de luxes a unidades µmol/m²/s es sencilla y directa mediante el factor de conversión 1 lux = 0.0185 umol/m2/s para la luz solar. Sensor UVM-30A ML8511 TSL2561 Interfaz Salida analógica Salida analógica I2C Voltaje de alimentación (V) 3 - 5 3.3 - 5 2.7 - 3.6 Corriente de operación (mA) 0.06 - 0.1 0.001 - 0.3 0.24 - 0.6 Potencia de operación (mW) 0.2 - 0.33 0.0033 - 1 0.75 - 2 Longitud de onda (nm) 200 - 370 280 - 390 300 - 1100 Unidad de medida N/A mW/cm2 lux Precio (Q) 50 100 40 Cuadro 5: Características de los sensores de intensidad de luz Figura 34: Sensor de intensidad de luz - TSL2561 7.2.2. Actuadores Sistema de ventilación Para controlar la temperatura en el interior del invernadero cuando se excdeda el límite superior del rango óptimo, se decidió implementar un ventilador brushless como el que se muestra en la Figura 35. Este tipo de ventiladores se emplean principalmente para el control de la temperatura en las fuentes de voltaje para computadoras, sus características son las siguientes: Voltaje de alimentación: 12 V Corriente máxima de trabajo: 250 mA 38 Velocidad: 3000 RPM ± 10% Flujo de aire mínimo: 0.983 CMM (m³/min) Dimensiones: 80x80x25 mm Figura 35: Actuador para el sistema de ventilación La Ecuación 3 relaciona el �ujo de aire de un ventilador con la tasa de ventilación (las renovaciones de aire que se hacen en una hora) y el volumen del lugar donde opera. Q = ACH · V (3) Donde: Q: Flujo de aire, en metros cúbicos por hora (m3/h) ACH: Renovaciones de aire por hora V : Volumen del espacio, en metros cúbicos (m3) Dado el �ujo de aire de 0.983 CMM y considerando 5 de renovaciones de aire por cada hora, se determinó que este ventilador es capaz de trabajar en un espacio de 11.8m3. Este volumen es similar al de una habitación de 2.5x2x2.5 m por lo que es su�ciente para un invernadero a escala. Para convertir el �ujo de aire a m3/h se utilizó el factor: 1CMM = 60m3/h Por lo tanto, el �ujo de aire es igual a: Q = 0.983 · 60 = 58.98m3/h Despejando la Ecuación 3 para el volumen y sustituyendo los valores: V = Q ACH = 58.98 5 = 11.8m3 39 Sistema de riego Se decidió implementar un sistema de riego por aspersión con el objetivo de controlar la humedad del suelo cuando las lecturas sean menores al límite inferior del rango óptimo. Este sistema requiere una bomba de agua para suministrar este líqudido a la tubería y de esta manera regar el cultivo, el Cuadro 6 muestra las características de dos bombas que se consideraron para el proyecto. Bomba Opción 1 Opción 2 Voltaje de alimentación (V) 6 12 Corriente máxima de trabajo (mA) 220 350 Potencia de operación (W) 1.5 4.8 Caudal máximo (Litros/h) 120 240 Vida útil (horas) 200 30000 Elevación máxima (cm) 110 300 Cuadro 6: Características de las bombas de agua Se utilizó la Ecuación 4 para comparar las bombas y se determinó que, teniendo la misma densidad del agua y misma área de sección transversal, la segunda bomba ofrece una mayor presión de salida debido a que su caudal es mayor. Considerando que una presión más grande favorece el riego por aspersión y que la segunda bomba ofrece una vida útil mayor que la primera, se decidió implementar esta segunda opción (Figura 36). Pd = 1 2 ρ( Q A )2 (4) Donde: Pd: Presión dinámica debida a la velocidad de salida ρ: Densidad del agua Q: Caudal de la bomba A: Área de la sección transversal de la tubería Figura 36: Actuador para el sistema de riego por aspersión 40 Sistema de sombra Para controlar la cantidad de luz solar se decidió implementar un mecanismo de sombra que se extiende bajo el techo del invernadero, esto para reducir la cantidad de radiación que llega a las plantas. El mecanismo de este sistema requiere un motorreductor para generar el movimiento y sensores para determinar el estado de la sombra (extendida o retraida). Por lo tanto, se decidió implementar el motorreductor que se muestra en la Figura 37 cuyas características se listan a continuación. También se decidió utilizar dos �nales de carrera para determinar el estado de la sombra y de esta manera saber cuándo detener el motorreductor. Voltaje de operación: 12 V Corriente con carga: 0.2 A (1.2 A Máx.) Potencia nominal: 0.95 W Velocidad nominal: 100 rpm Figura 37: Actuador para el sistema de sombra 7.2.3. Microcontrolador La selección del microcontrolador se fundamentó en los aspectos que se muestran en el Cuadro 7. Considerando el uso de FreeRTOS para desarrollar la lógica de funcionamiento, se decidió utilizar la placa de desarrollo que implementa el módulo ESP32. Este microcontrolador posee mayor cantidad de memoria �ash, por lo que permite al- macenar el sistema operativo FreeRTOS, bibliotecas y el �rmware sin problemas. Por otro lado, una mayor memoria RAM y velocidad de reloj de hasta 160 MHz favorece la ejecu- ción de múltiples tareas en paralelo y con mayor e�ciencia. No está de más mencionar que cuenta con un amplio ecosistema de documentación y bibliotecas que facilitan el desarrollo, depuración y mantenimiento de proyectos basados en FreeRTOS. 41 Placa de desarrollo ESP32 DevKitV1 Arduino Nano Blue Pill Voltaje de operación 3.3 a 5 V 5 V 3.3 o 5 V Corriente de operación 500 mA 19 mA 150 mA máxima Consumo en modo sleep 10 µA - 1 mA 2 - 15 µA 2 - 20 µA Número de pines GPIO 25 22 37 Pines analógicos 15 8 10 Periféricos Wi-Fi, BT, UART(1), I2C, UART(3), I2C, UART(3), I2C, SPI, SPI, ADC, SPI, ADC, ADC, DAC PWM PWM Resolución de ADC 12 bits 10 bits 12 bits Corriente de salida 20 mA 20 mA 25 mA por cada pin Memoria Flash 4 MB 32 KB 64 KB SRAM 520 KB 2 KB 20 KB Velocidad de Reloj 80/160 MHz 16 MHz 72 MHz Precio Q110 Q100 Q70 Cuadro 7: Microcontroladores considerados para la interfaz de monitoreo y control Figura 38: ESP32 DevKit V1 7.2.4. Comunicación LoRa La característica principal de este trabajo es el módulo de comunicación que utiliza la tecnología LoRa y el protocolo LoLaWAN para transmitir datos a larga distancia. Conside- rando la arquitectura de esta red, sección 6.4.3, fue necesario seleccionar un nodo �nal y un gateway que cumplieran con los requerimientos estándar del protocolo LoRaWAN. Nodo Como se observa en el Cuadro 8, a pesar de que los módulosWio-E5 y RAK3172 pre- sentan características bastante similares, se decició implementar el Wio-E5 debido a que el fabricante de este modúlo ofrece placas de desarrollo como el Wio-E5 Dev Kit (Figura 39) que facilitan el proceso de pruebas e implementación. 42 Módulo Wio-E5 RYLR993 Lite RAK3172 Frecuencia de operación 868/915 MHz 868/915 MHz 868/915 MHz Potencia de salida (máx) 22 dBm 22 dBm 20 dBm Sensibilidad -137 dBm -148 dBm -148 dBm Memoria Flash 256 KB 256 KB 256 KB SRAM 64 KB N/A 64 KB Voltaje de alimentación 1.8 - 3.6 V 1.8 - 3.6 V 2.0 - 3.6 V Consumo máximo 118 mA 140 mA 87 mA durante transmisión Corriente en modo 2.1 µA 5 µA 1.69 µA bajo consumo Interfaz de comunicación UART, I2C, SPI UART UART, I2C, SPI Modo de operación A/B/C A/B/C A/B/C Antena Externa Externa Externa Temp. de operación -40°C a 85°C -40°C a 85°C -40°C a 85°C Precio $6.49 $23.00 $6.49 Cuadro 8: Características de los módulos LoRaWAN Figura 39: Placa de desarrollo Wio-E5 Dev Kit Gateway El Cuadro 9 resume las características de tres gateways LoRaWAN comunes en el mer- cado. A pesar de que el Milesight UG67 presenta las mejores características, su precio es elevado en comparación con los otros. Se decidió utilizar el SenseCAP M2 debido a que tiene prácticamente las mismas características que el RAK7268V2, pero con un menor costo y mayor compatibilidad con servidores de red. 43 LoRaWAN gateway SenseCAP M2 RAK7268V2 Milesight UG67 Velocidad de 580 MHz 560 MHz 1.5 GHz procesamiento RAM DDR2 128 MB DDR2 128 MB DDR4 512 MB Memoria Flash 32 MB 32 MB 8 GB Transceptor LoRa SX1302 SX1302 SX1302 Tipo de nodos soportados A/B/C A/C A/B/C Número de canales 8 canales 8 canales 8 canales Sensibilidad -139 dBm -139 dBm -140 dBm Potencia de transmisión 26 dBm 27 dBm 27 dBm Conexión a la nube Ethernet, Wi-Fi Ethernet, Wi-Fi Ethernet, Wi-Fi Servidores compatibles TTN, ChirpStack ChirpStack TTN, ChirpStack Alimentación 12V DC, PoE 12V DC, PoE 12V DC, PoE Ambiente de instalación Interiores Interiores Exteriores Precio $99.00 $139 $650 Cuadro 9: Características de gateways LoRaWAN Figura 40: Gateway LoRaWAN - SenseCAP M2 44 CAPÍTULO 8 Diseño de la interfaz de medición y control 8.1. Diagrama de bloques En la Figura 41 se observan los principales componetes de la interfaz y la forma en la que el microcontrolador debe comunicarse con cada uno, tanto para la obtención de datos como para la activación de sistemas. Los sensores conforman el módulo de medición, el puente H y los relés el módulo de control y el transceptor LoRaWAN el módulo de transmisión de datos. Figura 41: Diagrama de bloques de la interfaz 45 El diseño de los circuitos se realizó utilizando el software EasyEDA, esto debido a que posee una amplia biblioteca de componentes que facilitan la creación de esquemáticos y placas de circuito impreso (PCB). Sin embargo, considerando que la mayoría de componentes de este proyecto no poseen un modelo SPICE que simule su comportamiento eléctrio real, las pruebas de funcionamiento de cada circuito se realizáron de forma física. 8.1.1. Alimentación Considerando que el microcontrolador y los sensores requieren un voltaje mínimo de 3.3V para poder operar, se decidió utilizar una batería de iones de litio (LI-ion) para suministrar energía a la interfaz. Esta se caracteríza por ser recargable y tener un voltaje nominal de 3.7V. Con el objetivo de eliminar la dependencia de fuentes de energía externa para recargar la batería, se decidió utilizar un panel solar con salida nominal de 5.5 V y un cargador para baterías LI-ion que brinda protección contra sobrecarga. Por otro lado, para garantizar el nivel de voltaje requerido por los componentes, se decidió implementar un regulador lineal con voltaje de salida de 3.3 V. En el recuadro rojo de la Figura 42 se observa la conexión de los componentes del circuito de alimentación: el módulo cargador de baterías TC4056A, la batería Li-ON 103035 y el regulador LD1117V33 para matener el suministro constante de 3.3 V a los componentes. Figura 42: Conexiones del circuito de alimentación 46 8.1.2. Medición Para realizar el diseño de este circuito fue necesario considerar la interfaz que cada sensor utiliza para enviar los datos recolectados al microcontrolador. Los sensores de temperatura e intensidad de luz utilizan comunicación I2C para la transmisión de datos, por lo tanto, fue necesario colocar las resistencias pull-up re- queridas por este tipo de comunicación e interconectar las líneas SCL ySDA de cada sensor a los correspondientes pines en el microcontrolador. El sensor capacitivo de humedad del suelo tiene una salida de datos analógica, por lo tanto, se decidió conectarlo a uno de los canales ADC que ofrece el microcontrolador. Los �nales de carrera que se utilizarían para determinar el estado de la sombra, se conectaron en con�guración pull-up a dos pines de entrada digital del microcontrolador. En los recuadros de color rojo de la Figura 43 se observan la conexiones entre los distintos sensores y el microntrolador. Figura 43: Conexiones del circuito de medición 47 8.1.3. Control El propósito de este circuito es controlar la activación de los sistemas de riego, ventilación y sombra. Considerando que los actuadores requieren un voltaje de operación superior a los 3.7 V que proporciona la batería, y una corriente mayor a los 20 mA que suministra cada pin del microcontrolador, se deció utilizar un adaptador de corriente de 110 VAC a 12 VDC para alimentar a los actuadores. Por esta razón, también se decidió implementar un circuito compuesto por relés cuya ventaja es el control de circuitos de mayor potencia utilizando una señal de bajo voltaje. También se decidió utilizar optoacopladores para aislar y proteger al microcontrolador de picos de voltaje o corriente que podrían generar los relés y dañarlo. Sin embargo, esto requiere la implementación de un transistor adicional para ampli�car la señal de control y brindar la corriente necesaria para la activación del relé. Considerando que el sistema de sombra debe extenderse y retraerse cuando sea necesario, el motor debe ser capaz de cambiar el sentido de giro para cumplir con estas acciones. Por lo tanto, para cumplir con esta característica se decidió implementar un módulo de puente H. Este módulo permite controlar la dirección de giro del motor con dos salidas digitales del microcontrolador. En el recuadro rojo de la Figura 44 se observan las conexiones para del sistema de control con sus respectivos actuadores. Se implementó un led con su respectiva resistencia para tener un indicador visual de la activación de los sistemas de riego y ventilación durante las pruebas. Figura 44: Conexiones del circuito de control 48 8.1.4. Transmisión Considerando el uso de la placa de desarrollo Wio-E5 (Figura 39) para la transmisión de datos mediante tecnología LoRA, este circuito consiste solamemente en el suministro de energía al Wio-E5 y la conexión su interfaz UART con la del microcontrolador, tal como se observa en el recuadro rojo de la Figura 45. Figura 45: Conexiones del circuito de transmisión de datos 8.2. Placa de circuito impreso (PCB) 8.2.1. Diseño y fabricación Luego de haber completado el diseño de los circuitos que forman parte de la interfaz de medición y control, el siguiente paso fue realizar el diseño de la PCB. Esto involucra el posicionamiento de los footprints corresponientes en la placa y la interconexión de los mismos utilizando pistas. Es importante resaltar que los �nales de carrera, el sensor de intensidad de luz y el sensor de humedad del suelo no estarán montados directamente en la placa. Por lo tanto, fue necesario realizar otro esquemático en el que estos componentes se representaran por medio de conectores, tal como se observa en la Figura 46. 49 Figura 46: Esquemático utilizado para el diseño de la PCB Debido a que la placa sería fabricada utilizando una fresadora CNC, propiedad del Ma- kerlab de la Universiad del Valle de Guatemala, fue necesario considerar los requerimientos de diseño que se muestran en el Cuadro 10. Tamaños de pista mm mil Ancho mínimo de pista 0.254 10 Ancho mínimo recomendado de pista 0.508 20 Espacio mínimo entre pistas 0.254 10 Espacio mínimo recomendado 0.508 20 entre pistas Tamaños de pads Tamaño mínimo de pad Tamaño agujero + 0.508 Tamaño agujero + 20 Tamaño mínimo entre pads 0.254 10 Tamaño mínimo de pad para vias 1.524 60 Tamaño recomendado para pad de 1.5748 62 resistores y capacitores (agujero de 0.9) (agujero de 36) Cuadro 10: Requerimientos de diseño para PCB El cálculo para los anchos de pista se realizó con base en el espesor del material (1oz/ft2), un aumento de temperatura de máximo 10°C y la corrieente total máxima de cada net. Se utilizó la Ecuación 5 para calcular el área necesaria para soportar y conducir la corriente de cada net. Este resultado se utilizó en la Ecuación 6 para determinar el ancho de pista mínimo requerido. [20] 50 A = ( I k · T b Rise ) 1 c (5) Donde: A: Área requerida para conducción de la corriente I: Corriente de la net, en amperios TRise: Aumento máximo de temperatura, en °C k, b, c: Constantes que dependen del tipo de pista (externa o interna). k = 0.048, b = 0.44,