El objetivo principal de este artículo es promover el conocimiento sobre los microcontroladores como un enfoque de bajo costo para monitorear en tiempo real los factores ambientales relacionados con la pequeña agricultura. La primera sección presenta usos posibles de fuentes de datos, como la temperatura del aire y del suelo, que pueden monitorearse mediante una gama de tecnologías. Para aquéllos interesados en explorar el uso de microcontroladores, existen recursos adicionales de ECHO que incluyen el código de programación para proyectos de microcontroladores emprendidos en ECHO y una de preguntas y respuestas en ECHOcommunity.org. Haremos todo lo posible por responder a sus preguntas.
Utilidad del monitoreo de campo
Los pequeños productores basan sus medios de vida en la productividad de pequeñas parcelas de tierra, sobre la cual influyen factores ambientales como la temperatura, la humedad del suelo, la precipitación, la luz solar y la humedad del ambiente. Productores y hortelanos manejan sus cultivos y su ganado en función de estos factores. Las precipitaciones estacionales y la humedad del suelo, por ejemplo, afectan al momento en que los productores siembran y riegan. A través de la experiencia y la observación de cerca de sus cultivos y suelos, ellos desarrollan un agudo conocimiento de las condiciones meteorológicas y del suelo que afectan el rendimiento de los cultivos. No hay nada que sustituya este tipo de conocimiento innato a la hora de tomar las decisiones diarias sobre el manejo agrícola.
No obstante, la capacidad de medir y monitorear con precisión las condiciones de cultivo puede beneficiar a la pequeña agricultura de varias importantes maneras. Los productores podrían utilizar estos datos para ayudar a la toma de decisiones. Los datos de campo también son útiles para evaluar innovaciones o prácticas por su potencial para mejorar la producción de cultivos. Imaginemos un escenario en el que una escuela de campo para agricultores hace ensayos con una nueva variedad de maíz. Teniendo en cuenta cómo el clima puede variar de un año a otro, o incluso de un campo a otro, sería útil dar seguimiento a la temperatura y las precipitaciones durante el ensayo. De esta manera todos conocerían las condiciones exactas en las que la nueva variedad tuvo éxito o fracasó. Un técnico o un cooperante que ayude en la investigación podrían desempeñar un papel en la adquisición y la instalación de dispositivos para la recolección de datos en las parcelas experimentales. En la tabla 1 se enumeran otras aplicaciones para el monitoreo de las condiciones ambientales.
| Parámetro de monitoreo | Aplicaciones agrícolas potenciales |
|---|---|
| Temperatura del aire |
Producción de cultivos: 1) evaluación de las variedades de cultivos con respecto a su tolerancia al calor; 2) selección de cultivos en base a las temperaturas predominantes, 3) cálculo de los grados-día de desarrollo (unidades térmicas) 1 para predecir las fases de desarrollo de los cultivos y tomar las decisiones de manejo correspondientes Banco de semillas: evaluación de la eficacia de las técnicas de almacenamiento (p.ej. estructuras de sacos de tierra o enterrar las semillas en contenedores herméticos bajo tierra) para estabilizar la temperatura y prolongar la vida de las semillas. Aves de corral: monitoreo de las condiciones de los pollitos o patos recién nacidos |
| Temperatura y humedad del suelo | Manejo del suelo: 1) evaluación de la eficacia de los residuos de los cultivos o mulch para moderar las temperaturas extremas y preservar la humedad del suelo; 2) determinación de la eficacia de las prácticas de riego. |
| Precipitación | Agricultura en general: 1) evaluar la tolerancia de los cultivos a la sequía; 2) decidir cuándo sembrar en función de la cantidad de lluvia recibida y su efecto sobre la humedad del suelo; 3) decidir cuándo regar |
| Humedad |
Bancos de semillas: 1) evaluar la eficacia de los desecantes y contenedores para mantener secas las semillas ortodoxas; 2) monitorear los espacios de almacenamiento para evitar que los niveles de humedad se eleven a niveles favorables al moho Manejo de enfermedades vegetales: 1) anticiparse a las épocas en las que la incidencia de las enfermedades podría ser alta; 2) evaluar cuándo sembrar para que el grano/semilla madure cuando el moho y las enfermedades fúngicas tengan menos probabilidades de ser un problema (esto también se relaciona con las lluvias). |
| Luz |
Manejo de cultivos de cobertura: evaluación del grado de sombra que dan al suelo los cultivos de cobertura. Agroforestería: evaluación del grado de sombra que dan al sotobosque diferentes árboles o combinaciones de plantas. |
Fórmula: GDD = ([temperatura máxima + temperatura mínima]/2) - temperatura mínima para el crecimiento del cultivo
Por ejemplo, digamos que en un día determinado las temperaturas alcanzaron una mínima de 25°C y una máxima de 32°C.
El cultivo para el que calculamos los GDD deja de crecer si las temperaturas caen por debajo de un mínimo de 10°C.
Por lo tanto, el número de GDD para ese día = ([32 + 25]/2) - 10 = 18.5. Esto se hace para cada día de crecimiento del cultivo, lo que permite seguir el número acumulado de GDD durante la temporada de cultivo.
Figura 1. Arduino® Nano que monitorea la temperatura y la humedad en un cuarto de almacenamiento de semilla en ECHO. Fuente: Tim Motis
El monitoreo automatizado de las condiciones que afectan a los cultivos, las semillas y los animales incluye dispositivos de medición electrónicos equipados con los sensores deseados. Con el creciente uso de los teléfonos móviles, cada vez más se puede obtener datos en tiempo real en entornos con pocos recursos. Incluso sin acceso a Internet, es posible registrar y almacenar datos automáticamente. Quizás el obstáculo más importante para el uso de estas tecnologías por los productores sea la necesidad de una computadora para descargar los datos o cargar el software. Mi esperanza, sin embargo, es arrojar luz sobre una tecnología asequible que 1) es útil para hacer experimentos agrícolas; 2) hace que los datos sean accesibles para los productores; 3) puede utilizarse para monitorear las condiciones en espacios agrícolas como los bancos de semillas (Figura 1); y que 4) los productores pueden utilizar potencialmente (después de crear un prototipo y programarlo).
Tecnología patentada versus tecnología de código abierto
Las tecnologías patentadas por lo general se producen en fábricas con restricciones de derechos de autor sobre la codificación y el diseño. Siempre que uno las instale correctamente, siguiendo los manuales de instrucciones incluidos, usualmente funcionan tal y como están diseñadas y necesitan poco tiempo de instalación. Sin embargo, el costo de los registradores y estaciones meteorológicas patentados con frecuencia está fuera del alcance de los pequeños productores y de quienes les prestan servicios. Una estación meteorológica de grado de investigación puede costar fácilmente US$800 o más. Incluso con las garantías y la asistencia técnica de la empresa, el mantenimiento del producto y el reemplazo de componentes dañados constituyen un desafío en muchas partes del mundo. Además, los productos a menudo necesitan actualizaciones del software y, a la larga, quedan "obsoletos", lo que obliga al usuario final a comprar un hardware más nuevo.
Este artículo se centra en la tecnología de código abierto relacionada con el conjunto de microcontroladores Arduino®. Estas tecnologías se basan en el intercambio abierto de diseños de software y hardware. Las desventajas de estas tecnologías son que necesitan tiempo para ensamblarlas y desarrollar el código de software que las hace funcionar. La programación, sin embargo, se simplifica con el software Arduino IDE, disponible gratuitamente, y el firmware (los programas) puede editarse según sea necesario para futuras modificaciones. Además, los componentes se encuentran en sitios web internacionales como AliExpress y Bangood y se reemplazan con facilidad. En términos de costo, al momento de escribir este artículo (marzo de 2022), cada uno de los microcontroladores aquí mencionados puede adquirirse por menos de US$10.
¿Qué hace un microcontrolador?
Piense en un microcontrolador como una computadora pequeña que hace tareas específicas, como leer un sensor cada hora. Una vez programado, el microcontrolador y los sensores conectados a él pueden funcionar aparte de la computadora. La utilidad de los microcontroladores va más allá del registro de datos. Pueden realizar acciones impulsadas por las lecturas de los sensores. Uno podría encender una fuente de calor si las temperaturas bajan demasiado o activar una electroválvula o válvula solenoide si los niveles de humedad del suelo indican que hay que aplicar agua a un huerto o campo.
Uso de microcontroladores en ECHO
Mi interés en los microcontroladores comenzó con el hobby de mantener peces y corales en un acuario de agua salada. Quedé "enganchado" después de descubrir que podía utilizar un Arudino® Uno para automatizar la exposición a la luz y la adición de compuestos (por ejemplo, calcio) para el crecimiento de los corales. Pronto me di cuenta de que lo que estaba aprendiendo era pertinente para sistemas agrícolas. No me considero electricista ni programador informático, pero a continuación se muestran algunos de los dispositivos que he construido en ECHO a través de mi propio aprendizaje y práctica independientes. Quizás le inspiren ideas para sus propias aplicaciones
Figura 2. Sensor de dióxido de carbono. Fuente: Tim Motis
Sensor de dióxido de carbono
Los seres vivos al respirar liberan dióxido de carbono. La liberación de dióxido de carbono del suelo sirve como indicador general de la actividad microbiana del suelo (Gyawali et al., 2019). Una búsqueda en Internet de sensores de dióxido de carbono generará una gama de opciones. Yo estoy utilizando el sensor MH-Z14A, que mide hasta 5,000 partes por millón (ppm) de dióxido de carbono. La concentración de dióxido de carbono en el aire exterior es un poco más de 400 ppm. Con la configuración mostrada en la figura 2, las lecturas se mantienen muy por debajo del límite medible de 5,000 ppm. Antes de hacer las mediciones, tamizamos el suelo para excluir la respiración de las raíces de las plantas. La tasa de liberación de dióxido de carbono del suelo será mayor en el suelo húmedo que en el seco, por lo que tomamos medidas, como recoger las muestras de suelo al mismo tiempo, para garantizar que todas las muestras tengan la misma humedad.
- Alimentan los microcontroladores de 3.3 voltios que uso con más frecuencia (Arduino Pro Mini y Wemos Lolin ESP32).
- Son fáciles de emparejar con convertidores boost (o elevador) económicos para energizar microcontroladores de 5 voltios; para encontrar opciones en línea, utilice una frase de búsqueda como "DC-DC 3.7v to 5v boost converter step up module" (Módulo de convertidor boost DC-DC 3.7 v a 5v)
- Son recargables.
Otras opciones de baterías son las alcalinas (no recargables) y las recargables de níquel-hidruro metálico (NiMH por sus siglas en inglés) doble A. Los sitios web con información sobre el uso de las pilas son Sparkfun y Battery University.
Fotómetro
El fotómetro en la figura 3 mide la intensidad luminosa de cuatro sensores a lo largo de una barra de aproximadamente 1 m de longitud. Se energiza con una batería de 3.7 voltios 2 y muestra el promedio de lux de los cuatro sensores. Lo utilizamos para medir la sombra de los árboles o los cultivos de cobertura. En cada parcela tomamos una lectura por encima (pleno sol) y por debajo del dosel del cultivo. A partir de estas lecturas calculamos el porcentaje de sombra. La luz solar plena puede superar los 100,000 lux (Ferrante y Mariani, 2018). Los sensores que he utilizado solo leen hasta 55,000 lux. Esto sería un problema si quisiera saber el valor absoluto (real) de la luz solar que recibe el sensor. Dado que sólo quiero calcular el porcentaje de sombra, coloqué los sensores en botellas de vidrio de color oscuro. Ya que las botellas son lo suficientemente oscuras como para mantener las lecturas por debajo de 55,000, las lecturas de lux siguen aumentando con el incremento de la luz solar, lo que permite calcular el porcentaje de sombra incluso durante los momentos más luminosos del día.
Figura 3. Fotómetro con sensores de lux en botellas de vidrio oscuro para medir el porcentaje de sombra. Fuente: Tim Motis
Estaciones meteorológicas
- Equilibre los dos cubos basculantes para que cada uno de ellos descargue inclinado hacia abajo con el mismo volumen de agua. Esto se hace utilizando un destornillador para ajustar la altura de un tornillo bajo cada cubo.
- Determine el volumen de agua por descarga. Dado que 1 mililitro (ml) equivale a 1 centímetro cúbico (cm), funciona bien hacer esto en ml. Vierta lentamente 100 ml de agua en el pluviómetro y cuente las descargas. Hágalo tres o cuatro veces y calcule el número promedio de descargas por cada 100 ml de agua. Digamos que obtienes 25 descargas. 100 ml/descarga divididos entre 25 descargas = 4 ml/descarga. 4 ml = 4 cm cúbicos.
- Calcule el área de captación en cm. El área de un cuadrado es la longitud X la anchura. La de un círculo es pi (3.14) X radio (la mitad del diámetro) al cuadrado. Digamos que su área de captación es de 100 cm cuadrados.
- Altura de la precipitación por descarga = volumen de la descarga en cm cúbicos / superficie de captación en cm cuadrados. La altura de la precipitación por descarga, entonces, sería igual al número que calculó en el paso 2 dividido por el calculado en el paso 3. En este caso, la altura de la precipitación por descarga = 4/100, 0.04 cm de precipitación por descarga.
- En el código que utilice para programar su microcontrolador, defina 1 descarga como 0.04 cm o su equivalente en mm o pulgadas.
La lluvia o precipitación es fundamental para la vida de las plantas y los animales, y es un parámetro meteorológico importante que debe medirse en toda finca experimental. La forma más sencilla y fiable de hacerlo es medir la lluvia recogida en un cilindro. 3 Sin embargo, no siempre es posible leer y vaciar manualmente el medidor todos los días. También existe el problema de la pérdida por evaporación entre las lecturas, especialmente en climas cálidos, lo cual puede distorsionar los valores. La automatización de la tarea de medir las precipitaciones resuelve estos problemas y se suele hacer con pluviómetros de cubo basculante autovaciante.
Con un pluviómetro de cubo basculante autovaciante, el agua se canaliza hacia dos cubos pequeños sobre un eje horizontal. Cuando el primer cubo se llena, el peso añadido hace que se incline hacia abajo, colocando el segundo cubo debajo del embudo. Esta acción se repite a medida que llueve. Con cada vuelco, un imán unido al conjunto del cubo se mueve a través de un interruptor de láminas conectado a una fuente de alimentación y a un microcontrolador. Uno puede programar el microcontrolador para que cuente los pulsos de electricidad resultantes y, a continuación, calcular la precipitación en función del volumen de un cubo basculante y la superficie de su colector de lluvia.4
Los pluviómetros de cubo basculante por lo general sólo son un componente de las estaciones meteorológicas que también miden otros parámetros como la temperatura del aire y la humedad relativa. 5 Aunque no es necesariamente prohibitivo en términos de costo comprar una estación meteorológica, pueden ser difíciles de reparar cuando los componentes funcionan mal. Si uno construye la suya propia, puede personalizarla con piezas reemplazables.
Figura 4. Estaciones meteorológicas alimentadas por energía solar con sensores de lluvia fabricados (A y B) y caseros (C) conectados a microcontroladores. Fuente: Tim Motis
Figura 5. Diagrama de los componentes del pluviómetro de cubo basculante. Fuente: Renee Gill adaptado de https://www.instructables.com/Arduino-Weather-Station-Part3-Rain/
La primera estación meteorológica que monté medía las precipitaciones con un sensor de lluvia Misol WH-SP-RG (Figura 4A) que por lo general se vende como pieza de repuesto para las estaciones meteorológicas domésticas. La figura 4C muestra una estación meteorológica que construí para mi huerto con un pluviómetro consistente en un embudo metálico pegado a la parte superior de una lata colocada sobre cubos basculantes hechos con una fina lámina de metal, tal y como describe Hampton (2016). Las estaciones meteorológicas que se muestran en la figura 4 se alimentan con baterías de 3.7 voltios cargadas con energía solar, registran los datos en una tarjeta micro SD y envían los datos a Internet para su monitoreo a través del teléfono móvil. A través del proceso de pruebas y resolución de problemas, he descubierto que las lecturas perdidas con estas estaciones meteorológicas habitualmente se deben a problemas con la energía (las baterías se agotan con una energía solar inadecuada) o a problemas mecánicos (residuos que caen en el pluviómetro e impiden el movimiento del cubo basculante). Un pluviómetro manual podría servir como pluviómetro de reserva en caso de que un pluviómetro de cubo basculante (Figura 5) funcione mal.
Monitor de la temperatura y la humedad del banco de semillas
Algunas de nuestras semillas en ECHO, en Florida, se mantienen en una sala refrigerada por un aire acondicionado de ventana conectado a un controlador CoolBot. Necesitábamos una forma de controlar la temperatura para asegurarnos de que el CoolBot funciona correctamente. Utilizando algunos de los mismos componentes usados para las estaciones meteorológicas, pude hacer un monitor de temperatura y humedad (Figura 1) que envía datos a una unidad receptora en un edificio adyacente donde hay conexión inalámbrica a Internet. Con un interfaz a un sitio web llamado IFTTT (If This Then That/Si esto entonces aquéllo), la unidad receptora envía una alerta por correo electrónico si la temperatura en el almacén de semillas es superior a los 16°C.
Ejemplos de microcontroladores y sensores
Microcontroladores
Al aprender a utilizar microcontroladores, Muchas personas empiezan con el Arduino Uno para aprender a utilizar microcontroladores. Tiene una gran cantidad de funcionalidades. En el campo, para aplicaciones que trabajan con baterías, prefiero utilizar los microcontroladores más pequeños Arduino Pro Mini o Arduino Nano, que consumen menos energía que el Uno. El Pro Mini y el Nano son los dos microcontroladores con los que he tenido más éxito para darle seguimiento a las precipitaciones.
Otro microcontrolador que funciona bien en el campo es el Lolin ESP32. Está optimizado para alimentarse con baterías de iones de litio de 3.7 voltios. Lo utilizo para registrar la temperatura y la humedad del suelo. Al igual que el Pro Mini y el Nano, uno puede prolongar la duración de la batería programando el microcontrolador para que funcione en modo de reposo entre lecturas. También tiene capacidad para Bluetooth® y WiFi (Internet).
El Lolin ESP32 está mejor optimizado para un bajo consumo de energía que el ESP8266, pero he descubierto que el ESP8266 es útil para recibir datos de otros microcontroladores y enviar esos datos a Internet.
Algunos factores a considerar a la hora de seleccionar un microcontrolador para su proyecto son:
- Suministro de energía necesario
- Opciones de bajo consumo de energía para aplicaciones energizadas por batería
- Si necesita o no capacidad WiFi o Bluetooth®
- Compatibilidad con los sensores que piensa utilizar; el diseño es más fácil si el voltaje de funcionamiento del sensor y del microcontrolador es el mismo
Todos los microcontroladores de la tabla 2 están disponibles en sitios web como AliExpress y Bangood que hacen envíos internacionales. Al comprar un microcontrolador, preste mucha atención a cualquier otro elemento que pueda necesitar. Estos incluyen el cable USB adecuado y, en el caso del Lolin 32, un conector de cable para conectar una fuente de alimentación de batería.
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Arduino Uno |
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Arduino Pro Mini NOTAS: |
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También hay una versión de 16 megahercios que trabaja a 5 voltios. Un microcontrolador similar llamado Arduino Nano (Figura 1) también funciona a 5 voltios y no necesita el adaptador FTDI. |
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Lolin ESP32 NOTAS: |
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ESP8266 (Nodemcu 12-E) |
| 1Los costos en esta tabla, obtenidos en 2022, podrían cambiar con el tiempo. No incluyen los gastos de envío, que podrían variar según el país. Al hacer el pedido en sitios web como Amazon, puede recibir los artículos más rápidamente, pero los costos serán mayores. | |
Sensores
¿Qué quiere medir? Hasta ahora en este artículo he mencionado la lluvia, la temperatura, la humedad, la humedad del suelo y la luz. Para casi todos los parámetros agrícolas ¡es probable que haya un sensor! A continuación se presentan breves descripciones y sugerencias sobre los sensores con los que estoy familiarizado.
Temperatura y humedad
Muchos sensores miden tanto la temperatura como la humedad. Uno de los más sencillos es el sensor DHT22 (Tabla 3A), disponible como módulo que ya tiene la resistencia necesaria. Funciona bien para medir la temperatura y la humedad en una habitación o en un contenedor de almacenamiento de semillas. Cuando se coloca en el exterior, el sensor de humedad tiende a quedarse en el 99.9% durante las primeras horas de la mañana, problema causado por la condensación en el sensor. Para una estación meteorológica de exteriores, prefiero un sensor Sensirion SHT3X (p. ej., SHT31) en una caja de plástico o cerámica. Se pueden encontrar en AliExpress por US$11. Proteja el sensor del sol, al mantener la circulación de aire a su alrededor, para evitar la sobreestimación de la temperatura (Tarara y Hoheisel, 2007). Usted puede hacer su propio escudo de protección contra la radiación con platos o cuencos pequeños (Jakub_Nagy, 2017).
La temperatura del suelo puede monitorearse con la versión resistente al agua del sensor DS18B20 (Tabla 3B). Los entierro en el suelo tal cual, pero la impermeabilidad podría optimizarse aún más insertándolos en un tubo de PVC hundido en el suelo.
Precipitación
Para hacer su propio pluviómetro necesita un interruptor de láminas, un imán pequeño y un conjunto de cubo basculante. Busque lo que se llama un interruptor de láminas normalmente abierto. Un paquete de 10 interruptores cuesta menos de US$1 en AliExpress. Los imanes pueden ser tan pequeños como de 2 mm de ancho, y cuestan menos de US$3 en AliExpress. El montaje del cubo basculante implica un poco de artesanía creativa. Puede utilizar materiales locales para hacer los cubos basculantes y una abrazadera para mantener los cubos y el interruptor de láminas en su lugar. Un enfoque más sencillo sería comprar un sensor de lluvia o utilizar uno de una estación meteorológica vieja. Cualquier sensor de lluvia de cubo basculante funcionará si usted puede acceder a los dos cables conectados al interruptor de láminas.
Humedad del suelo
El monitoreo de la humedad del suelo le ayuda a evaluar el impacto de la lluvia o del riego. Probablemente enterrará un sensor de humedad del suelo a una profundidad donde se encuentre la mayor parte de las raíces alimentadoras de su cultivo. Las lecturas del sensor indicarán si el agua de un evento de lluvia o de un riego es suficiente para mojar el suelo a esa profundidad. Existen sensores basados en la resistencia y la capacitancia. 6 Para evitar la corrosión, utilice un sensor capacitivo como el que se muestra en la Tabla 3C.
Luz
La Tabla 3C muestra un sensor de luz que mide la luz visible en una unidad llamada lux. No toda la luz visible puede ser utilizada por las plantas para la fotosíntesis; sin embargo, una lectura de luxes muestra un indicador de la intensidad de la luz en el momento en que se toma. Las mediciones de lux pueden utilizarse para evaluar la eficacia de los cultivos de cobertura para dar sombra al suelo. Las plántulas jóvenes en invernaderos y viveros a menudo necesitan protección contra el pleno sol; las lecturas de lux pueden ser útiles para estimar la cantidad de sombra bajo tela de sombra o bajo estructuras que proporcionan sombra.
| A |  |
Sensor de temperatura/humedad DHT22 NOTA: Para evitar tener que comprar y conectar la resistencia necesaria, compre el sensor en forma de módulo (imagen de la izquierda); el módulo ya tendrá la resistencia conectada. |
| B |  |
Sensor de temperatura a prueba de agua DS18B20 NOTA: El sensor requiere una resistencia de 4.7 kilo ohmios; puede comprarse con un módulo que incluye la resistencia, evitando así la necesidad de comprar una resistencia externa. |
| C |  |
Sensor de humedad del suelo NOTA: Proteja del agua/la lluvia los elementos electrónicos en la parte superior del sensor. Yo coloco estos sensores en secciones cortas de tubo de PVC. |
| D |  |
Sensor de luz (lux) MAX44009 |
| 1Los costos en esta tabla, obtenidos en 2022, podrían cambiar con el tiempo. No incluyen los gastos de envío, que podrían variar según el país. Al hacer el pedido en sitios web como Amazon, puede recibir los artículos más rápidamente, pero los costos serán mayores. | ||
Hardware de soporte
Se necesitan otros componentes para que un dispositivo microcontrolador realice las funciones deseadas. En una zona remota, sin señal telefónica o WiFi, uno puede guardar las lecturas (p. ej., la temperatura) en una tarjeta SD y luego transferir periódicamente los datos a un teléfono u computadora. Para hacer un seguimiento de las condiciones de cultivo a lo largo del tiempo, querrá saber la fecha y la hora de cada lectura. El almacenamiento de los datos con fecha y hora en una tarjeta SD puede hacerse con facilidad al conectar módulos micro SD (Tabla 4A) y de reloj (Tabla 4B) a su microcontrolador. Las lecturas también pueden mostrarse en una pantalla pequeña (Tabla 4C).
El acceso remoto e inmediato a las lecturas medidas sobre el terreno ayuda a tomar decisiones sensibles al tiempo. Para monitorear las condiciones en tiempo real, prefiero los transceptores de radio LoRa (de largo alcance) (Tabla 4D) para comunicación de baja potencia. Un transceptor puede transmitir o recibir datos, lo que permite enviar datos de un microcontrolador a otro. Para hacerlo se necesita un transceptor LoRa en cada microcontrolador. Los datos entrantes desde el campo pueden verse en una pantalla de visualización y/o publicados en línea Thingspeak y Adafrut IO son plataformas basadas en la web que permiten ver en su teléfono o computadora gráficos de las mediciones de campo continuamente actualizados. La capacidad de sus cuentas gratuitas es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.
Suministrar el voltaje correcto a un microcontrolador implica el uso de otros componentes. Los microcontroladores mencionados en este artículo pueden energizarse con 5 voltios; los que funcionan a 3.3 voltios tienen reguladores de potencia internos que convierten los 5 voltios en 3.3 voltios, siempre que no se puentee el regulador. Una manera fácil de suministrar 5 voltios a un microcontrolador es conectarlo con un cable USB a un enchufe de pared de 5 voltios utilizado para cargar teléfonos móviles. La energía por batería funciona mejor para los dispositivos de exteriores. La Tabla 4E muestra un controlador de carga útil para integrar baterías recargables con energía solar. Si no está integrado en su panel solar, utilice un diodo (un componente eléctrico que deja que la electricidad fluya en una sola dirección) para evitar que la energía de la batería fluya hacia el panel solar por la noche. Utiliza un amplificador de tensión si el voltaje de su fuente de alimentación es menor al que necesita su microcontrolador.
| A |  |
Módulo de expansión de tarjeta mico SD NOTA: Si su microcontrolador funciona a 5 voltios, utilice un módulo de tarjeta micro SD que acepte 5 voltios. |
| B |  |
Reloj en tiempo real (DS3231) NOTA: Energice el reloj con una batería CR2032 o LIR2032 para que la hora se conserve aunque el microcontrolador se quede sin energía. |
| C |  |
Módulo de visualización OLED NOTA: Vienen en diferentes tamaños, incluyendo 128 X 64 (foto de la izquierda) y 128 X 32 pixeles. |
| D |  |
Transceptor LoRa RFM95 NOTA: Proveedores como Adafruit ofrecen el transceptor como un módulo con el que es más fácil y es compatible con los sistemas de 3.3 y 5 voltios |
| E |  |
Cargador de baterías de litio TP4056 NOTA: Funciona bien para cargar baterías de litio recargables de 3.7 voltios (p. ej., la batería 18650) con paneles solares de 6 voltios. PRECAUCIÓN: El TP4056 lleva incorporada una protección contra sobrecarga. No obstante, tómese el tiempo para aprender a utilizar las baterías en forma segura. |
| 1Los costos en esta tabla, obtenidos en 2022, podrían cambiar con el tiempo. No incluyen los gastos de envío, que podrían variar según el país. Al hacer el pedido en sitios web como Amazon, puede recibir los artículos más rápidamente, pero los costos serán mayores. | ||
Consejos para comenzar
Programación
La mayoría de los microcontroladores vienen con un puerto USB. Como se mencionó anteriormente, compre el cable USB adecuado para su microcontrolador; la tabla 2 especifica el conector USB correcto para los microcontroladores correspondientes. Conecte un extremo del cable a un puerto USB de su computadora y el otro extremo al conector USB de su microcontrolador.
Utilizo el software Arduino IDE para programar mis microcontroladores. Es gratuito y está disponible para los sistemas operativos Windows, macOS y Linux. Los programas desarrollados en el software Arduino se llaman sketches (bocetos). Se escriben en el lenguaje de programación de Arduino (basado en C++) y luego se cargan en el microcontrolador. Afortunadamente, uno no tiene que ser un programador experto para crear sketches para sus proyectos. Para todo lo que he construido hasta ahora, he encontrado varios tutoriales y ejemplos que no sólo explican cómo conectar los sensores a los microcontroladores, sino que también proporcionan sketches con una explicación de cómo funciona el código de programación. Consulte la página Getting Started en el sitio web de Arduino para aprender a descargar el software y empezar a programar.
Mi consejo es empezar en pequeño. Mucha gente empieza aprendiendo a hacer parpadear una pequeña luz LED; los kits de inicio de Arduino a menudo vienen con LED, cables de conexión y otras piezas pequeñas. Haga que un sensor o función trabaje a la vez. Guarde los sketches que le funcionen bien para utilizarlos en el futuro. Las pequeñas victorias le llevarán a un conjunto creciente de códigos que serán útiles para proyectos posteriores.
Figura 6. Placa de prototipo sin soldadura (base de plástico blanca) y alambres de puente (cables de colores). Fuente: Tim Motis
Prototipos
Asegúrese de que su proyecto funcionará antes de intentar construir algo permanente. Existen kits de inicio para principiantes. Busque uno que contenga unas cuantas placas de prototipo (placas de prueba) sin soldadura y conjuntos de cables de puente prefabricados (Figura 6). Una placa de prototipo sin soldadura es un componente de plástico con filas y columnas de agujeros, marcados con letras y números, en los que puede insertar clavijas y cables. No es necesario soldar. 7 Las clavijas y los cables se mantienen en su sitio mediante las tiras metálicas del interior de la placa de prototipo que conectan las filas y columnas de agujeros.
El alambre de puente es un cable eléctrico para conectar componentes en una placa de prototipo. Uno puede fabricar sus propios alambres de puente con un cable eléctrico no trenzado de 22 AWG (AWG es una unidad estandarizada para el grosor de los cables) y un pelacables para retirar la cubierta de plástico de los extremos de cada cable. Sin embargo, los alambres de puente prefabricados son los más fáciles de utilizar para cablear y probar rápidamente un circuito de placa de prototipo. Vienen en diferentes longitudes con conectores macho y/o hembra en los extremos.
Fabricación
Figura 7. Placa perma-proto antes (A) y después de soldar los cabezales de los pines y los cables (B), y de conectar un módulo ESP32 Lolin y una tarjeta Micro SD en los cabezales de los pines hembra (C). Los componentes verdes son terminales de tornillo para conectar los sensores al microcontrolador. Fuente: Tim Motis
Las tiras metálicas del interior de las placas de prototipo sin soldadura funcionan bien para probar los circuitos, pero los cables pueden soltarse con facilidad. Para que se mantengan más tiempo, transfiera su circuito a una placa perma-proto (Figura 7A), una versión metálica de una placa de prototipo sin soldadura con la misma disposición de agujeros. Esto se hace soldando los cabezales de las clavijas, los cables y cualquier componente adicional a la placa (Figura 7B). 8 Con el cabezal de clavija apropiado soldado a la placa (hembra) y al microcontrolador (macho), coloque el microcontrolador en la placa como se muestra en la Figura 7C. Con este método, usted puede sacar fácilmente el microcontrolador de la placa para sustituirlo o reprogramarlo si es necesario. Lo mismo ocurre con los módulos de soporte.
Figura 8. Un soldador y soldadura (A) y una herramienta para cortar cables (B). Fuente: Tim Motis
Soldar, como cualquier otra cosa, requiere algo de práctica, pero no es difícil de aprender. Yo utilizo cinta adhesiva para mantener los componentes en su sitio mientras los sueldo. Necesitará un soldador y un poco de soldadura (Figura 8A). Busca un soldador con puntas reemplazables y, preferiblemente, con temperatura ajustable. Recorte el exceso de cable con una herramienta de corte como la que se muestra en la Figura 8B.
Cuando esté listo, tendrá que instalar su proyecto en su ubicación permanente. Proteja los componentes electrónicos del sol, el calor y el agua. Proteger de estos elementos es especialmente importante en las zonas tropicales. He comprobado que los microcontroladores colocados en recipientes de plástico expuestos al sol empiezan a funcionar mal cuando el fundente (material utilizado en la soldadura para mejorar la conectividad) de la soldadura se extiende por las conexiones. Por eso, prefiero colocar los componentes dentro de sencillas cajas de madera. La madera bloquea la transferencia de calor, pero necesita protección contra la lluvia. Las opciones para cubrir una caja de madera incluyen papel de aluminio y trozos de lata. Los agujeros para los cables que van a los sensores exteriores deben perforarse en el fondo de la caja si es posible, dejando que toda agua que se filtre en la caja se drene.
Figura 9. Un accesorio de bomba de aire disponible usualmente combinado con un tapón de neumático (A) para hacer una vía sólida para los cables que salen de un recipiente de plástico (B). Se puede añadir pegamento de silicona o masilla para que sea a prueba de fugas. Perfore un agujero en el tapón del neumático y corte la punta del accesorio de la bomba de aire para que coincida con el diámetro del cable. Fuente: Tim Motis
Además del calor y la lluvia, proteja los componentes electrónicos de insectos y roedores. Las hormigas no son destructivas de inmediato, pero a la larga causarán problemas. Si los cebos para hormigas fallan, puede alojar su proyecto de microcontrolador en un recipiente hermético, como un tubo de PVC con tapa o un Tupperware®, y luego colocarlo todo dentro de una caja de madera o enterrarlo bajo tierra. La figura 9 muestra un ejemplo de recipiente hermético con un accesorio de bomba de aire y una tapa de válvula de neumático para hacer una conexión a prueba de fugas para los cables.
En algunos casos tiene sentido utilizar tubos de PVC de diámetro pequeño como conducto. Los tubos de suministro para sistemas de riego por goteo también funcionan bien. Si los cables que usted tiene son demasiado largos para pasarlos por la tubería, pruebe esto:
- Encuentre un pedazo de cable no trenzado que sea lo suficientemente grueso y rígido como para empujar toda la longitud a través del tubo de goteo
- Suelde un extremo del cable del sensor a un extremo del cable de empuje (grueso) (Figura 10A)
- Inserte el otro extremo (no soldado) del cable de empuje en un extremo del tubo y empújelo a través del tubo hasta que el extremo no soldado salga por el otro extremo del tubo
- Sujete el extremo no soldado del cable de empuje y tire de él junto con el cable del sensor a través del tubo (Figura 10B)
- Una vez que salga el cable del sensor, separe el cable de empuje del cable del sensor
Figura 10. Cable del sensor (A; arriba) soldado a un extremo del cable no trenzado (A; abajo) utilizado para tirar del cable del sensor a través del tubo de suministro de riego por goteo de ¼ de pulgada de diámetro (B). Fuente: Tim Motis
Conclusión
Los microcontroladores ofrecen un medio asequible para monitorear los factores ambientales que influyen en la vida de las plantas y los animales. Seleccione sensores con las especificaciones y el nivel de precisión adecuados para su aplicación. Con microcontroladores de bajo costo usted puede tanto monitorear como también controlar los factores ambientales. El control de factores como la humedad del suelo y las condiciones de los espacios pequeños se logra utilizando los valores detectados para activar y desactivar medidas de intervención (p. ej., válvulas de riego, ventiladores y fuentes de calor). Por tanto, hay potencial para automatizar algunas tareas. El conocimiento de la electrónica y la informática ayuda, pero no tiene que ser electricista o programador informático para construir dispositivos útiles. Con el tiempo, es probable que aumente la disponibilidad de sensores y de ejemplos de proyectos de microcontroladores útiles, lo que dará lugar a más opciones. Las secciones de Referencias y Lecturas Adicionales a continuación le guiarán hacia más información sobre este tema.
Referencias
AlphaRomeo. 2011. Make a Rain Gauge (Hacer un pluviómetro). https://www.instructables.com/Make-a-Rain-Gauge/
Bagur, J. 2022. The Arduino Guide to Soldering (La guía Arduino para soldar). https://docs.arduino.cc/learn/electronics/soldering-basics
Ferrante, A. y L. Mariani. 2018. Agronomic management for enhancing plant tolerance to abiotic stresses: high and low values of temperature, light intensity, and relative humidity (Manejo agronómico para mejorar la tolerancia de las plantas a los estreses abióticos: valores altos y bajos de temperatura, intensidad luminosa y humedad relativa). Horticulturae 2018, 4(3) https://doi.org/10.3390/horticulturae4030021.
Gyawali, A.J., B.J. Lester, y R.D. Stewart. 2019. Talking SMAAC: A new tool to measure soil respiration and microbial activity (Hablando SMAAC: Una nueva herramienta para medir la respiración del suelo y la actividad microbiana). Frontiers in Earth Science 7:138 doi: 10.3389/feart.2019.00138
Hampton, C.R. 2016. Build a Wireless “Tipping Bucket” Rain Gauge, Part 1 – Assembling the Bucket (Construir un pluviómetro inalámbrico de "cubo basculante", Parte 1 - Montaje del cubo. Todo sobre los circuitos). All About Circuits.
Hannan, J. Personal weather station for specialty crop management (Estación meteorológica personal para el manejo de cultivos especializados). Extensión y divulgación de la Universidad Estatal de Iowa. https://www.extension.iastate.edu/smallfarms/personal-weather-station-specialty-crop-management
Jakub_Nagy. 2017. DS18B20 Radiation shield (Escudo contra la radiación). https://www.instructables.com/DS18B20-Radiation-Shield/
Tarara, J.M. y G. Hoheisel. 2007. Low-cost shielding to minimize radiation errors of temperature sensors in the field (Protección de bajo costo para minimizar los errores de radiación de los sensores de temperatura en el campo). HortScience horts 42, 6:1372-1379. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.42.6.1372.
Lecturas adicionales
Proveedores que proporcionan tutoriales con microcontroladores y sensores
Estaciones meteorológicas
Un video con información sobre el funcionamiento de los pluviómetros de cubo basculante y cómo mejorar la precisión mediante la interconexión de un interruptor de láminas con lo que se conoce como un disparador Schmitt: https://www.youtube.com/watch?v=KHrTqdmYoAk&t=872s
Estación meteorológica que registra temperatura y precipitaciones: https://github.com/DesiQuintans/sneesl-rain-logger (en la carpeta Firmware, haga clic en el primer archivo [01_Datalogger] para el código que funciona bien con los microcontroladores Arduino Nano y Pro Mini])
Código de ejemplo para proyectos de microcontroladores: https://github.com/ECHOInternational/Microcontrollers
Detección de la humedad del suelo con sensores capacitivos de humedad del suelo: Hrisko, J. 2020. Calibración de sensor capacitivo de humedad del suelo con Arduino. Portal de Maker. https://makersportal.com/blog/2020/5/26/capacitive-soil-moisture-calibration-with-arduino