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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL
DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA EN CRIADERO DE POLLOS DE
ENGORDE
CRISTIAN CAMILO MERA CHILITO
Cód.: 1115346
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2016
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL
DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA EN CRIADERO DE POLLOS DE
ENGORDE
CRISTIAN CAMILO MERA CHILITO
Cód.: 1115346
PROYECTO DE GRADO
ING. VLADIMIR TRUJILLO OLAYA, PhD.
Director de proyecto
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2016
3
Contenido 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 6
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................................ 8
1.2. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 9
1.3. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 11
1.3.1. GENERAL .................................................................................................................... 11
1.3.2. ESPECIFICOS ............................................................................................................... 11
2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................................................ 12
2.1. MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................................ 12
2.1.1. ENFERMEDADES COMUNES EN POLLOS DE ENGORDE ............................................. 12
2.1.2. VARIABLES A CONTROLAR EN EL CRIADERO DE POLLOS ........................................... 15
2.2. MARCO GEOGRAFICO ........................................................................................................ 20
2.2.1. PAÍSES EN DESARROLLO ............................................................................................. 20
2.2.2. SISTEMAS DE ALOJAMIENTO DE AVES EN PAISES EN DESARROLLO .......................... 21
3. DISEÑO DE LA AUTOMATIZACION PARA CRIADERO DE POLLOS DE ENGORDE ........................ 23
3.1. SISTEMA DE CONTROL ....................................................................................................... 23
3.1.1. LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA ...................................................................... 24
3.1.2. LAZO DE CONTROL DE HUMEDAD RELATIVA ............................................................. 24
3.1.3. CONTROLADOR TEMPERATURA Y HUMEDAD ........................................................... 25
3.2. DISEÑO ELÉCTRICO DE NUESTRO PROTOTIPO ................................................................... 30
3.2.1. PLANO ELECTRICO DE POTENCIA DE NUESTRO PROYECTO....................................... 30
3.2.2. PLANO ELECTRÓNICO TARJETA DE CONTROL ............................................................ 31
3.2.3. DISEÑO DE PCB DE LA TARJETA DE CONTROL ........................................................... 32
3.3. DESARROLLO DE SOFTWARE.............................................................................................. 33
3.3.1. ARDOS ........................................................................................................................ 33
3.3.2. APP ANDROID ............................................................................................................. 36
4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA ............................................................................................... 40
4.1. ESTRUCTURA DEL PROTOTIPO ........................................................................................... 41
4.2. ELEMENTOS DE CALEFACCIÓN ........................................................................................... 41
4.3. ELEMENTOS DE HUMIDIFICACIÓN ..................................................................................... 42
4.4. ELEMENTOS DE VENTILACIÓN ........................................................................................... 43
4.5. ELEMENTO DE REALIMENTACIÓN...................................................................................... 43
5. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO ...................................................................... 46
4
5.1. PRUEBA DE CONTROL DE TEMPERATURA ......................................................................... 46
5.1.1. INCREMENTO DE TEMPERATURA .............................................................................. 46
5.1.2. DECREMENTO DE TEMPERATURA ............................................................................. 48
5.2. PRUEBA DE CONTROL DE HUMEDAD ................................................................................ 49
5.2.1. INCREMENTO DE HUMEDAD RELATIVA ..................................................................... 49
5.2.2. DECREMENTO DE HUMEDAD RELATIVA .................................................................... 50
6. OPTIMIZACIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES............................................................................. 52
6.1. FUENTE DE CALOR E ILUMINACIÓN ................................................................................... 52
6.2. CAMBIO EN SISTEMA DE HUMIDIFICACIÓN ...................................................................... 52
6.3. CAMBIO EN EL DISPOSITIVO DE REALIMENTACIÓN DEL SISTEMA DE LAZO DE CONTROL 54
6.4. CAMBIO DE ELEMENTO ELECTRÓNICO PARA LA ACTIVACIÓN DEL ENCENDIDO DE LAS
LÁMPARAS POR MEDIO DE UNA SALIDA DIGITAL DE 5VDC .......................................................... 54
7. CONCLUSION .............................................................................................................................. 55
8. BILIOGRAFIA ............................................................................................................................... 57
9. ANEXOS ...................................................................................................................................... 60
9.1. CÓDIGO DE PROGRAMA PRINCIPAL SO. ............................................................................ 60
5
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Explotación de gran escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009) ........................................ 21 Ilustración 2 Explotación de mediana escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009) ................................. 22 Ilustración 3 Alojamientos comerciales de pequeña escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009)........... 22 Ilustración 4 Lazo de control (Autómatas Programables I) ............................................................................... 23 Ilustración 5 Lazo de control temperatura (Mera, Cristian) .............................................................................. 24 Ilustración 6 Lazo de control humedad (Mera, Cristian).................................................................................... 25 Ilustración 7 Cambio de temperatura con respecto al tiempo con lámparas infrarrojas. (Mera, Cristian) ...... 27 Ilustración 8 Grafica de función cambio de temperatura. (Mera, Cristian)....................................................... 28 Ilustración 9 Código implementado en Matlab para obtener función en el dominio de z. (Mera, Cristian) ..... 28 Ilustración 10 Función de transferencia en el dominio de z obtenida. (Mera, Cristian) .................................... 29 Ilustración 11 Compensador obtenido con herramienta sisotool Matlab. (Mera, Cristian) .............................. 29 Ilustración 12 Plano de potencia. (Mera, Cristian) ............................................................................................ 30 Ilustración 13 Plano electrónico de conexiones entre micro-controlador y señales externas. (Mera, Cristian) 31 Ilustración 14 Diseño de PCB elaborado en Eagle impresión de solapa inferior. (Mera, Cristian) .................... 32 Ilustración 15Diseño de PCB elaborado en Eagle impresión de solapa superior. (Mera, Cristian).................... 32 Ilustración 16 Flujograma programa principal. (Mera, Cristian) ....................................................................... 34 Ilustración 17 Tarea 2 del sistema operativo (Mera, Cristian) .......................................................................... 35 Ilustración 18 Diseño visual aplicación android (Mera, Cristian)....................................................................... 37 Ilustración 19a Codificación aplicación apk android, (Mera, Cristian). ............................................................. 38 Ilustración 19b Codificación aplicación apk android, (Mera, Cristian). ............................................................. 39 Ilustración 20 Icono de aplicación android .apk instalada (Mera, Cristian) ...................................................... 39 Ilustración 21 Diagrama estructural del sistema automatizado (Mera, Cristian). ............................................ 41 Ilustración 22 Bombilla de luz infrarroja utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian) .......................................... 41 Ilustración 23 Humidificador de aire utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian) ................................................ 42 Ilustración 24 Extractor de aire utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian) ........................................................ 43 Ilustración 25 Diagrama de salida para la humedad AMT1001,
http://www.aosong.com/asp_bin/Products/en/humidity%20sensor%20AM1001.pdf ................................... 44 Ilustración 26 Prototipo funcionando, (Mera, Cristian) ..................................................................................... 46 Ilustración 27 Grafica temperatura vs tiempo con control implementado, incremento, (Mera, Cristian)........ 47 Ilustración 28Grafica temperatura vs tiempo con control implementado, decremento, (Mera, Cristian) ....... 48 Ilustración 29 Grafica humedad vs tiempo con control implementado, incremento, (Mera, Cristian) ............. 50 Ilustración 30 Grafica humedad vs tiempo con control implementado, decremento, (Mera, Cristian) ............ 51 Ilustración 31 Sistema de riego, Automatización de invernadero implementado por (Muñoz Jaime, Núñez
Alejandro) a Humidificador de aire ultrasónico (Mera, Cristian) ...................................................................... 53
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1. INTRODUCCIÓN
El mundo actual se ha visto sumergido en la tecnología y a medida que
avanza el tiempo, el hombre en él debe ir a la par. Vemos que todos estos
avances tecnológicos han ido de cierta manera desplazando diferentes tipos
de actividades que antes desempeñaba el hombre. Por nombrar un ejemplo,
encontramos que ya se usan mecanismos eléctricos para regar cultivos,
cuando anteriormente este trabajo se realizaba por el hombre a través de
mangueras y largas horas bajo la exposición al sol. Ésta y muchas otras
actividades, labores, entre otros, se han visto reemplazadas por maquinaria
e inteligencia artificial.
Por ello, este trabajo de grado está orientado, con la intención de facilitar una
tarea de más arduo trabajo para el hombre, la cual trata de diseñar e
implementar un sistema embebido para controlar la temperatura y la
humedad relativa en galpones de pollos de engorde.
Como bien se sabe, los galpones de pollos se han diseñado para criar aves
en condiciones apropiadas y específicas con la intención de enviar producido
de excelente calidad al mercado. Muchos de estos sitios no tienen un
adecuado sistema que les permita y garantice la adecuada crianza de estos
animales, dado que un porcentaje considerable de los pollos mueren a razón
de condiciones climáticas, estrés calórico, entre otros.
Por tal razón, se ha desarrollado un prototipo a escala de un galpón en el
cual se emulan condiciones de temperatura y humedad, este sistema podría
garantizar una mejoría notoria en cuanto a la crianza de pollos de engorde
con una idea innovadora en estas áreas de producción, la cual es que puedan
manejar su propio galpón a través de una aplicación desde su dispositivo
móvil y les permita invertir ese tiempo en el desarrollo de nuevas tareas o
actividades con el fin de generar mayores ingresos económicos.
7
El diseño de este sistema está desarrollado con el fin de responder a cuatro
factores fundamentales:
a. Mantener la temperatura y humedad adecuadas en el galpón.
b. Permitir una conexión directa a través de la aplicación tanto del trabajador como
de su galpón.
c. La implementación del sistema es asequible a cualquier usuario.
d. Garantizar que tanto su funcionamiento como de producido es de excelente
calidad baja tasa de mortalidad de pollos de engorde.
8
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La crianza de pollos de engorde se ve afectada por el alto índice de
mortalidad, los principales responsables a este problema son, la variación de
temperatura y los niveles de humedad relativos inapropiados o repentinos al
interior del corral (Estrada Parereja, 2007), afectando así la producción y
generando pérdidas apreciables al lucrativo negocio de la crianza de pollos.
Un sistema electrónico que solucione este problema traería beneficios como:
- Asegurar condiciones climáticas óptimas para el bienestar y buen
desarrollo de los pollos.
- Garantizar el mejor rendimiento en la producción de aves de corral ya que
serían perdidas mínimas por causas de estrés calórico.
- Una sola persona sería capaz de hacerse cargo de una mayor cantidad
de pollos o de nave de pollos aminorando así costos en la contratación de
personal que este al cuidado de las aves.
Teniendo en cuenta lo anterior, desde los aportes de la electrónica en sus
aplicaciones de control digital y sistemas embebidos se plantea la siguiente
pregunta, ¿Cómo controlar eficientemente las variables de temperatura y
humedad relativa usando un sistema de control embebido para la crianza de
pollos de engorde?
9
1.2. JUSTIFICACIÓN
La crianza de pollos de engorde es un negocio muy lucrativo, ya que la
demanda de pollo para el consumo es mayor que la de las demás carnes
(Arellano Peche, 2010). El consumo per cápita de pollo es de 23,7 kilos, el
de res es de 20 kilos, mientras el de cerdo es de 6 kilos anuales por persona
(CONtextoGanadero, 2005), esto es debido a que el pollo es la carne más
económica del mercado sumándole su alto nivel alimenticio y nutritivo
(Carvajal Azcona, 2005). Comparando en precios con su homóloga la carne
de res, el valor de un kilo de pechuga oscila los valores de $7200COP
mientras que el lomo de res presenta valores aproximados a $13000COP el
kilo.1
La eficiencia de los sistemas de producción de pollos de engorde está
directamente relacionada con los factores climáticos, ya que
geográficamente las granjas avícolas se localizan en zonas cuya temperatura
y humedad relativa del ambiente son muy elevadas con poca velocidad del
viento, causando estrés calórico y desórdenes fisiológicos en las aves de
corral (Corona Lisboa, 2012).
Cuando la combinación de temperatura y humedad relativa es muy elevada,
la única posibilidad que tiene el ave para disipar el calor es por medio de la
hiperventilación (jadeo). Esta hiperventilación genera inicialmente un
aumento del pH o alcalosis respiratoria y una disminución del bicarbonato
sanguíneo por la salida excesiva de CO2 que no permite la síntesis del ion
HCO3 (Nilipour H., 2004).
Este aumento de la osmolaridad extracelular causa una pérdida de agua
intracelular, lo que es compensado por un aumento en el consumo de agua
1 Valores de precio tomados de www.exito.com/Mercado-Frescos-Pollo-_carne_y_pescado/_/N-2bbb
10
del ave. El aumento en el consumo de agua no es suficiente como
mecanismo compensatorio y se instaura una deshidratación, que es una de
las causas principales de muerte en el caso de estrés calórico (Nilipour H.,
2004).
Posteriormente, si el estrés calórico persiste, se instaura una acidosis
metabólica como consecuencia de una reducción en el suministro de oxígeno
a los tejidos, por una redistribución del flujo sanguíneo a la piel, así como por
la deshidratación. Con la acidosis metabólica, muchos órganos internos no
pueden funcionar correctamente, y aparece pronto una insuficiencia renal,
insuficiencia cardíaca, postración y muerte del ave (Nilipour H., 2004).
Por lo tanto, es necesario incluir un sistema electrónico que controle las
variables de temperatura y humedad relativa, el cual permitirá el aumento en
la cantidad de aves que podría controlar una sola persona ya que el proceso
no tendría tanta dependencia por parte de la persona a cargo, además podría
disminuir los costos por contratación de personal. Además, al garantizar las
condiciones climáticas óptimas para el buen desarrollo de los pollos, será
evidente el crecimiento en la rentabilidad del negocio de crianza de aves de
engorde gracias a la disminución de mortalidad de las aves, y aseguraría el
bienestar de estas.
11
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. GENERAL
Diseñar e implementar un sistema de control de temperatura y humedad
relativa en criadero de pollos de engorde usando sistemas embebidos
1.3.2. ESPECIFICOS
Investigar las condiciones locativas y ambientales para la crianza de
pollos de engorde, al igual que los diferentes tipos de
implementaciones presentes en la literatura.
Diseñar el sistema de control para un galpón de pollos para el aumento
de calidad y productividad del lugar.
Implementar un sistema embebido, que sirva como prototipo para el
control de variables como temperatura y humedad relativa al interior
de un criadero de pollos.
Desarrollar un software que permita el procesamiento, control y ajuste
de variables de control en un criadero de pollos de engorde.
Desarrollar una interfaz de comunicación entre el sistema desarrollado
y el personal a cargo del criadero.
Redactar el documento final y divulgar los resultados mediante un
artículo referente al sistema de control para criadero de pollos de
engorde.
12
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. MARCO CONCEPTUAL
En esta sección se presentan dos subsecciones que son: las enfermedades
y las variables a controlar mencionando sus respectivos sensores.
2.1.1. ENFERMEDADES COMUNES EN POLLOS DE ENGORDE
En esta subsección se describen las enfermedades más comunes en la
crianza de pollos tales como:
• Bronquitis infecciosa.
• Coriza infeccioso.
• Enfermedad respiratoria crónica (aerosaculitis).
• Gumboro o Bursitis.
2.1.1.1. Bronquitis Infecciosa
Agente causal:
Esta enfermedad es causada por un virus (coronavirus) este virus se
reproduce en ambientes húmedos, el cual afecta sólo a pollos y gallinas
(Rodriguez, 2006).
Síntomas:
Se producen ruidos respiratorios típicos de la enfermedad, tanto en aves
jóvenes como en adultas, incluyendo jadeos, estertores (debido a la
mucosidad de la tráquea), tos, secreción nasal y ojos llorosos. Basándose
solamente en los síntomas respiratorios, es difícil diferenciarla de la
enfermedad de NewCastle. A diferencia con la enfermedad de NewCastle, la
bronquitis nunca presenta síntomas nerviosos y la mortalidad es menor, la
13
producción de huevo aunque también se afecta, nunca baja hasta cero, la
calidad del huevo se altera durante más tiempo y las aves tardan más en
normalizar la postura (Rodríguez, 2006).
Transmisión:
La enfermedad se transmite fácilmente por medio del aire y cualquier otro
medio mecánico. La bronquitis generalmente afecta a todo un lote de aves
en forma simultánea, completando su curso respiratorio en 10-15 días
(Rodríguez, 2006).
2.1.1.2. Coriza Infecciosa
Agente causal:
Esta enfermedad es producida por una bacteria llamada Haemophilus
gallinarum (Rodríguez, 2006).
Síntomas:
Entre los primeros síntomas se presentan estornudos, seguidos por una
supuración maloliente e inflamación de los ojos y senos nasales. Conforme
avanza la enfermedad, el exudado se vuelve caseoso (como queso) y se
acumula en los ojos; produciendo hinchazón y en muchos casos hasta la
pérdida de los ojos. El problema se puede acelerar o agravar cuando se
presentan cambios bruscos de las corrientes de aire, de temperatura,
humedad, o por la desparasitación y vacunación. Generalmente disminuye el
consumo de alimento y la producción de huevos (Rodríguez, 2006).
Transmisión:
La enfermedad se puede transmitir de un animal a otro y de una parvada a
otra por contacto directo, por medio de las partículas de polvo que mueve el
aire entre galerones o por medio de las personas que cuidan de los animales
(Rodríguez, 2006).
14
2.1.1.3. Enfermedad respiratoria crónica (Aerosaculitis)
Agente causal:
Es causada principalmente por Mycoplasma gallisepticum, aunque también
se ha encontrado Escherichia coli (Rodriguez, 2006).
Síntomas:
Los primeros síntomas se asemejan a los producidos por las enfermedades
de New Castle y bronquitis infecciosa, tales como dificultad al respirar,
mucosidad nasal y estertores de la tráquea. Con frecuencia se encuentra un
material blancuzco y espumoso en la tráquea y sacos aéreos. En los casos
avanzados de la enfermedad se puede apreciar el hígado y corazón cubiertos
por un exudado de color blanco o amarillo. El curso de la enfermedad es lento
(Rodriguez, 2006).
Transmisión:
La enfermedad se transmite por contacto directo, de un ave a otra o por
medio de las partículas de polvo que lleva el viento de un galpón a otro. El
problema principal es que las gallinas pueden transmitir la enfermedad a sus
hijos por medio del huevo (Rodriguez, 2006).
2.1.1.4. Gumboro o Bursitis
Agente causal:
Esta enfermedad es causada por un birnavirus, el cual es muy resistente a
las condiciones ambientales desfavorables, por lo que se dificulta su
erradicación de las granjas infectadas (Rodriguez, 2006).
Síntomas:
Muchas veces, el primer síntoma de la enfermedad de Gumboro o Bursitis es
un ruido respiratorio. Otros síntomas que se pueden apreciar son
15
decaimiento, plumas erizadas, temblores, diarreas acuosas y postración. Los
brotes ocurren con más frecuencia cuando las aves tienen de 3 a 8 semanas
de edad. La mortalidad por lo general no sobrepasa el 10% y en una segunda
infección del mismo lote, la mortalidad es aún menor. La Bolsa de Fabricio
(ubicada sobre la cloaca), se encontrará inflamada y su tamaño puede ser
dos o más veces su tamaño normal. En animales sanos, la Bolsa de Fabricio
es más pequeña que la vesícula. En los casos crónicos, la bolsa será más
pequeña (se atrofia), por lo que la respuesta a la vacunación es menor,
aumentando la susceptibilidad a otras infecciones (Rodriguez, 2006).
Transmisión:
La enfermedad es muy contagiosa y se transmite por contacto directo de las
aves, de sus excrementos; o por medio del equipo y ropa de los operarios.
2.1.2. VARIABLES A CONTROLAR EN EL CRIADERO DE POLLOS
2.1.2.1. Humedad Relativa
El aire en la atmósfera se considera normalmente como una mezcla de dos
componentes: aire seco y vapor de agua. La capacidad de la atmósfera para
recibir vapor de agua se relaciona con los conceptos de humedad absoluta,
que corresponde a la cantidad de agua presente en el aire por unidad de
volumen de aire, y la humedad relativa que es la razón entre la humedad
absoluta y la cantidad máxima de vapor de agua que admite el aire por unidad
de volumen. La humedad relativa se mide en tanto por ciento y está
normalizada de forma que la humedad relativa máxima posible es el 100%.
Cuando la humedad alcanza el valor del 100%, se dice que aire está
saturado, y el exceso de vapor se condensa para convertirse en gotas de
niebla o nubes.
La humedad relativa, HR [%], es la proporción de vapor de agua real en el
aire comparada con la cantidad de vapor de agua necesaria para la
saturación a la temperatura correspondiente. Indica qué tan cerca está el aire
16
de la saturación. Se mide en porcentaje entre 0 y 100 (ver Tabla 1), donde el
0% significa aire completamente seco y 100% aire saturado (Meruane &
Garreud, Determinación de Humedad en la Atmósfera, 2006).
La humedad relativa con componentes electrónicos se mide de la siguiente
manera:
Utilizando la capacidad de ciertos materiales con el fin de absorber moléculas
de vapor de agua a través de su superficie. Este proceso, al modificar las
propiedades eléctricas de una componente de un circuito electrónico
(resistencia o condensador), permite crear una señal eléctrica que es
proporcional a la humedad. Este tipo de sensor se utiliza en estaciones
meteorológicas automáticas y en equipos de radio sondeos.
Tabla 1 humedad Relativa HR, condiciones ambientales recomendadas por la línea Ross. (Estrada Parereja, 2007)
17
Sensores de humedad relativa
Para entender el concepto de humedad relativa, es importante definir el
concepto de humedad absoluta, esta es la capacidad de la atmósfera para
recibir vapor de agua, corresponde a la cantidad de agua presente en el aire
por unidad de masa de aire seco, y la humedad relativa que es la razón entre
la humedad absoluta y la cantidad máxima de agua que admite el aire por
unidad de volumen. Se mide en porcentaje y está normalizada de forma que
la humedad relativa máxima posible es el 100% (Meruane & Garreaud,
Determinación de humedad relativa en la atmosfera, 2006).
Para la correcta clasificación según el funcionamiento de los sensores de
humedad relativa se dividen en sensores analógicos y digitales.
Un sensor analógico de humedad mide la humedad del aire relativo usando
un sistema basado en un condensador. El sensor está hecho de una película
generalmente de vidrio o de cerámica. El material aislante que absorbe el
agua está hecho de un polímero que toma y libera el agua basándose en la
humedad relativa de la zona dada. Esto cambia el nivel de carga en el
condensador del circuito en el cuadro eléctrico (Arias Sabogal, 2014).
Un sensor digital de humedad funciona a través de dos micro - sensores que
se calibran a la humedad relativa de la zona dada. Estos se convierten luego
en el formato digital a través de un proceso de conversión de analógico a
digital que se realiza mediante un chip situado en el mismo circuito. Un
sistema basado en una máquina hecha de electrodos con polímeros es lo
que constituye la capacitancia del sensor. Esto protege el sensor del panel
frontal del usuario (Arias Sabogal, 2014).
18
2.1.2.2. Temperatura
Todas las sustancias están compuestas de pequeñas partículas
denominadas moléculas, que se encuentran en continuo movimiento. Cuanto
más rápido es el movimiento de las moléculas, mayor es la temperatura del
cuerpo. Por lo tanto podemos definir a la temperatura como el grado de
agitación térmica de las moléculas.
En la práctica, la temperatura se representa según una escala numérica,
cuanto mayor es su valor, mayor es la energía cinética media de los átomos
del cuerpo en cuestión (Virgoni, 2008).
La temperatura para los pollos de engorde debe ser diferente en su primera
semana de vida (ver Tabla 2) que en las demás, ya que en esta primera no
presentan autorregulación de temperatura.
Tabla 2 Condiciones ambientales térmicas recomendadas por la línea Ross
19
Sensores de temperatura
La temperatura es una medida del promedio de energía cinética de las
partículas en una unidad de masa, expresada en unidades de grados en una
escala estándar. Se mide la temperatura de diferentes maneras que varían
de acuerdo al costo del equipo y la precisión. Los tipos de sensores más
comunes son los termopares, RTDs y termistores2.
En el mundo actual hay muchas formas de medir la temperatura, hay todo
tipo de sensores. La ingeniería de control de procesos ha inventado,
perfeccionado e innovado a la hora de disponer de sensores que ayuden a
controlar los cambios de temperatura en procesos industriales. La tabla 3
muestra de la gran variedad de dispositivos capaces de medir temperatura
(Aragones, y otros, 2004).
Tabla 3 Sensores de temperatura (Bausá Aragonés, y otros, 2004)
2 Tipos de sensores de temperatura recopilado de: http://www.ni.com/white-paper/10635/es/
20
2.2. MARCO GEOGRAFICO
2.2.1. PAÍSES EN DESARROLLO
Esta investigación está enfocada y orientada hacia la población colombiana,
Colombia es un país con ubicación central en el continente americano. Su
localización es estratégica ya que conecta el norte con el sur del continente
y posee parte de los océanos, atlántico y pacífico, además cuenta con una
extraordinaria belleza natural y conocido por la producción de uno de los
mejores cafés del mundo, por el carbón, las esmeraldas y las flores3.
Colombia es considerado un país en desarrollo o subdesarrollado, ya que no
es capaz de satisfacer sus necesidades materiales y espirituales sobre la
base de la explotación de sus propios recursos, mediante el empleo de la
ciencia y la técnica más avanzadas (Gonzales García & Rodríguez Arada,
2008).
Un país podrá llamarse desarrollado cuando no sea dependiente
económicamente, cuando no sea productor de uno o pocos productos,
cuando en vez de deudor sea fiador, cuando la capacidad de exportar supere
la necesidad de importar, cuando en vez de productor de materias primas
sea productor de tecnología, equipos y maquinaria (Gonzales García &
Rodríguez Arada, 2008).
3 Recopilado de: http://otca.info/portal/admin/_upload/paises/pdf/448-COLOMBIA.es.pdf Portal Oficial de Colombia / Embajada de Colombia en Brasil
21
2.2.2. SISTEMAS DE ALOJAMIENTO DE AVES EN PAISES EN
DESARROLLO
Los sistemas de alojamiento de aves de corral en países sub desarrollados
se centran en proporcionar un entorno que garantice los requisitos térmicos
de las aves.
El tipo de alojamiento y equipo utilizados permiten un buen control sobre las
condiciones y variables climáticas que se proporciona a las aves, pero son
alojamientos cuya construcción y funcionamiento son muy costosos. Debido
a los costos de construcción y funcionamiento más bajos, los alojamientos
comerciales de mediana y pequeña escala son muy populares en los países
en desarrollo. El sistema avícola de pequeña escala predominante en
muchos países sub desarrollado es un recinto nocturno muy básico para
alojar las aves, si es que existe (Glatz & Pym, 2009).
Los alojamientos avícolas modernos están automatizados con ventiladores
conectados a sensores a fin de mantener las condiciones ambientales
adecuadas, algunos utilizan sistemas computarizados para el control remoto
y el cambio de configuración de los alojamientos (ver ilustración 1). Para el
suministro de calor se utilizan hornos de aire forzados o calefacción con
radiación (Glatz & Pym, 2009).
La mayor parte de los alojamientos de mediana escala de ponedoras y pollos
(ver ilustración 2), constan de flujo de aire natural en la nave para la
Ilustración 1 Explotación de gran escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009)
22
ventilación, si es necesario se proporciona a las aves calefacción por
radiación a una edad temprana, a fin de mantener la temperatura del cuerpo.
Las jaulas se realizan con alambres tejido galvanizado para aislar los pollos
de aves silvestres y los depredadores (Glatz & Pym, 2009).
Ilustración 2 Explotación de mediana escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009)
Los alojamientos comerciales en pequeña escala (ver ilustración 3), suelen
construirse de varias formas y dimensiones utilizando materiales de
construcción locales como madera, ladrillos de adobe y bambú, las aves
suelen agruparse de 50 a 100 ejemplares de la misma edad. El alojamiento
puede utilizarse como recinto nocturno para las aves que se crían en libertad
o que se confinan en un corral al aire libre durante el día.
Ilustración 3 Alojamientos comerciales de pequeña escala de pollos de engorde (Glatz & Pym, 2009)
Cuanto más sofisticado sea el sistema de cría de aves de corral, mayor será
la capacidad de gestión necesaria.
23
3. DISEÑO DE LA AUTOMATIZACION PARA CRIADERO DE
POLLOS DE ENGORDE
3.1. SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control nos permite interactuar con variables y elementos para
lograr un fin específico. En este proyecto que tiene como fin el diseño e
implementación de un óptimo sistema para criar pollos se requiere que todos
los elementos que lo componen funcionen en una sincronía deseada para el
buen desarrollo de las aves.
Como variables para este proyecto se tienen la temperatura y la humedad
relativa, al ser variables de lento cambio en el tiempo se utilizará un sensor
que su principal característica sea la fidelidad en la medición aunque su
tiempo de respuesta entre mediciones no sea tan rápida, el elemento de
medición que se usa es el AMT1001.
El sistema de control que se usó en este proyecto para su óptimo
funcionamiento fue de dos lazos de control cerrado (ver ilustración 4). El
primer lazo de control es de temperatura con la característica de tener un
control con compensación proporcional ya que se desea mejorar tiempo de
respuesta aunque la variable sea lenta y este es el control que más se ajusta.
El lazo de control de humedad relativa tendrá un sistema de control ON / OFF
ya que es una variable que podremos controlar fácilmente y no
necesitaremos controlador.
Ilustración 4 Lazo de control (Autómatas Programables I)
24
3.1.1. LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA
El lazo de control de temperatura tendrá un control proporcional (Ver
ilustración 5). El elemento que realizara la comparación en el sistema será el
Micro Controlador AT Mega 328 este microprocesador nos servirá ya que al
manejar variables con cambios en el tiempo largos no será necesario usar un
microprocesador con mas potencia, este será el encargado de examinar el
error en el parámetro de salida restando la salida con el set point, con este
valor toma una decisión para la corrección de la señal resultante. El bloque
de control lo compondrán las lámparas de iluminación infrarrojas. El proceso
evidentemente es el prototipo de galpón de pollos el cual queremos optimizar
y controlar sus variables, el medidor o elemento de realimentación es el
AMT1001 (sensor de temperatura y humedad relativa) y el set point o variable
de referencia es fijado desde cualquier dispositivo con sistema operativo
android y protocolo de comunicación IEEE 802.15 (Bluetooth).
Ilustración 5 Lazo de control temperatura (Mera, Cristian)
3.1.2. LAZO DE CONTROL DE HUMEDAD RELATIVA
El lazo de control de humedad relativa tendrá un control ON/OFF (ver
ilustración 6). El elemento que realizara la comparación en el sistema será el
Micro Controlador AT Mega 328, este será el encargado de examinar el error
en el parámetro de salida restando la salida con el set point, con este valor
toma una decisión para la corrección de la señal resultante. El bloque de
25
control lo compondrá el humidificador de aire y la solapa superior o techo de
nuestro galpón. El proceso evidentemente es el prototipo de galpón de pollos
el cual queremos optimizar y controlar sus variables, el medidor o elemento
de realimentación es el AMT1001 y el set point o variable de referencia es
fijado desde cualquier dispositivo con sistema operativo android y protocolo
de comunicación IEEE 802.15 (Bluetooth).
Ilustración 6 Lazo de control humedad (Mera, Cristian)
3.1.3. CONTROLADOR TEMPERATURA Y HUMEDAD
El código implementado para la humedad relativa obedece a un control de
tipo ON/OFF, este tipo de control envía una señal de activación cuando la
señal de entrada es menor que un nivel de referencia (definido previamente
en nuestro caso por el usuario), y desactivan la señal de salida cuando la
señal de entrada en mayor que la señal de referencia. Para este proceso el
control encendido/apagado nos presenta óptimos resultados ya que esta
variable (humedad) presenta grandes lapsos para cambiar en el tiempo.
El controlador de temperatura implementado fue de tipo proporcional, este es
un tipo de control de realimentación lineal. Este tipo de control es más
complejo que el tipo de control ON/OFF además presenta la virtud que es
aplicable para procesos que no tengan tiempo de respuestas demasiado
rápidos como lo es el control de temperatura y su comportamiento será
estable. El control proporcional resuelve el problema de la inestabilidad
mediante la modulación de la salida del dispositivo.
26
3.1.3.1. Compensación para control de humedad relativa por ON/OFF
La compensación del nivel requerido en HR se realiza por media del micro
controlador ATMega 328, el cual recibe la señal brindada por el sensor y
compara esta con el set point definida por el usuario previamente, esta
comparación se utiliza para realizar una acción, si está por debajo del valor
deseado se encenderá automáticamente el humidificador, y si esta variable
se encentra por encima del valor necesario se abrirá la solapa para recircular
el aire interno y eliminar la humedad que se encuentra al interior del criadero.
3.1.3.2. Compensación para control de temperatura por control
proporcional
La compensación de temperatura se realiza por control proporcional, este
algoritmo se basa en que la salida del controlador es proporcional a la señal
de error, que es la diferencia entre el punto objetivo y la variable del proceso;
es decir la salida del controlador proporcional es el resultado del producto
entre el error y la ganancia proporcional calculada.
Matemáticamente se expresa como: 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) , donde 𝑃𝑜𝑢𝑡 es la señal
de salida, 𝐾𝑝 es la ganancia proporcional y 𝑒(𝑡) es la señal de error en el
tiempo. La variable Kp se halló utilizando MATLAB®.
Primero se implementó un código para registrar los cambios de temperatura
al interior de nuestro prototipo, respecto al tiempo con las lámparas de
iluminación infrarrojas con una alimentación del 100% de su capacidad, estos
valores se plasmaron en la siguiente gráfica (ver Ilustración 7),
27
Ilustración 7 Cambio de temperatura con respecto al tiempo con lámparas infrarrojas. (Mera, Cristian)
Teniendo en cuenta la ecuación de la función de transferencia de primer
orden, sin tiempo muerto
𝑇(𝑠) =𝐾
Ʈ𝑠 + 1
𝐾 = 1 , Ʈ = 200
Donde k es la ganancia, en nuestro caso es 1 y T es el tiempo en donde
corta la línea tangencial la gráfica. Teniendo la función de transferencia
para nuestra planta
𝑇(𝑠) =1
200𝑠 + 1
Graficamos la función obtenida y como resultante tenemos (ver ilustración 8).
28
Así corroboramos que el comportamiento de la función obtenida si
corresponde a los valores de temperatura tomados con anterioridad.
Con la función de transferencia en el dominio del tiempo, podemos encontrar
la transformada z, hallamos la transformada z de nuestra función de
transferencia con un tiempo de muestreo o sample time de 0.2 s (ver
Ilustración 9).
Ilustración 9 Código implementado en Matlab para obtener función en el dominio de z. (Mera, Cristian)
Ilustración 8 Grafica de función cambio de temperatura. (Mera, Cristian)
29
La función de transferencia en el dominio z obtenido es (ver Ilustración 10),
Ilustración 10 Función de transferencia en el dominio de z obtenida. (Mera, Cristian)
Ya con la función de transferencia en el dominio de z podemos hallar nuestro
compensador proporcional. Se utiliza la herramienta siso tool de MATLAB®
para ajustar nuestros parámetros de lazo de control y así obtenemos el
compensador proporcional que se utilizó para nuestro proyecto (ver
Ilustración 11).
Ilustración 11 Compensador obtenido con herramienta sisotool Matlab. (Mera, Cristian)
30
3.2. DISEÑO ELÉCTRICO DE NUESTRO PROTOTIPO
3.2.1. PLANO ELECTRICO DE POTENCIA DE NUESTRO PROYECTO
El circuito de potencia de este proyecto (ver Ilustración 12), tiene una
alimentación monofásica a 110v, la cual alimenta un breaker de 2A (F1) que se
usa como totalizador de todo nuestro proyecto. De ahí se derivan una
alimentación necesaria para nuestra tarjeta de Control a 110v y una fuente de
alimentación de 12VDC necesaria para alimentar la mayoría de nuestros
actuadores, la salida de 12VDC es protegida por el breaker de 4A (F2) antes
de entrar a nuestra tarjeta de control.
Ilustración 12 Plano de potencia. (Mera, Cristian)
31
3.2.2. PLANO ELECTRÓNICO TARJETA DE CONTROL
La tarjeta de control desarrollada (ver ilustración 13)realiza las conexiones entre
los actuadores, señales de control, sensores y dispositivos de comunicación
como bluetooth a nuestro micro controlador, todas las señales de salida del
micro- controlador se pasan por transistor para después ser usadas por relevos
o SCR’s según sea el caso.
Ilustración 13 Plano electrónico de conexiones entre micro-controlador y señales externas. (Mera, Cristian)
32
3.2.3. DISEÑO DE PCB DE LA TARJETA DE CONTROL
3.2.3.1. PARTE INFERIOR
Se observa la parte inferior de la pcb diseñada (ver ilustración 14).
Ilustración 14 Diseño de PCB elaborado en Eagle impresión de solapa inferior. (Mera, Cristian)
3.2.3.2. PARTE SUPERIOR
Se observa la parte superior de la pcb diseñada (ver ilustración 15).
Ilustración 15Diseño de PCB elaborado en Eagle impresión de solapa superior. (Mera, Cristian)
33
3.3. DESARROLLO DE SOFTWARE
Para la elaboración de este proyecto se tuvo en cuenta que debía incluir fácil
acceso y compatibilidad en todo sentido, tanto para el usuario como en
tecnología.
Además se programó un sistema operativo capaz de realizar las tareas de
control en tiempo real, y una aplicación para dispositivos android como
interfaz gráfica para la comunicación humano-máquina.
3.3.1. ARDOS
ArdOS es un sistema operativo multitarea potente pero compacto para la
serie de microcontroladores Atmel ATmega 168, 328, 1280 y 2560
microcontroladores (Arduino(IDE), 2013).
Las principales características de ArdOS son: un código muy completo pero
a la vez muy compacto, un planificador basado en prioridades multitarea para
aplicaciones estrictas en tiempo real, semáforos binarios y por contador,
bloqueos por mutex y variables condicionales, memoria FIFO (primero en
entrar es el primero en salir), colas de mensajes prioritarios, y es configurable.
34
Diagrama de flujo programa principal
En el diagrama de flujo (ver Ilustración 16) podemos ver el funcionamiento
del sistema operativo. En este se observa que en paralelo funcionan 5 tareas
o task: la tarea No.1 se encarga de escribir en el puerto serial toda la
información recibida de sus tareas simultaneas por medio del SOQueue; la
tarea No.2 (ver Ilustración 17) o tarea principal lee el puerto serial para captar
los set point suministrados por el usuario a través de la aplicación android,
estos valores de set point los pone en cola para ser impresos por la tarea
No.1, con los valores de set point y temperatura realiza el control proporcional
de temperatura y toma la decisión de qué actuadores habilitar para realizar
el control de las variables de temperatura y humedad, y por último lee los
valores de temperatura y humedad actuales, utilizados como realimentación.
La tarea No.3 controla los actuadores para temperatura que son los
extractores y la desactivación del sistema de calefacción; la tarea No.4
controla la activación del sistema de humidificación; y la terea No.5 controla
la desactivación del sistema de humidificación
Ilustración 16 Flujograma programa principal. (Mera, Cristian)
35
Ilustración 17 Tarea 2 del sistema operativo (Mera, Cristian)
Leer Set point temperatura
(spt) y humedad (sph)
OSEnqueue (Spt) OSEnqueue (Sph)
TASK 2
Temperatura > spt No
OsGiveSema=1 Task 3
Humedad > spt
OsGiveSema=1 Task 4
No
Si
Si
Humedad < spt No
OsGiveSema=1 Task 5
Temperatura < spt No
Si
Si
Leer feedback de temperatura y humedad
FIN
Control de temperatura
1
1
36
3.3.2. APP ANDROID
La aplicación android se elaboró con MIT APP INVENTOR 2 (Google, s.f.).
MIT App Inventor es una innovadora introducción de la programación, es una
aplicación de creación que transforma el complejo lenguaje de codificación
basada en texto a bloques de construcción visual, con el principio de arrastrar
y soltar.
3.3.2.1. DISEÑADOR VISUAL
Diseño visual usado en la aplicación creada para dispositivos móviles con
sistema operativo android (ver Ilustración 18). El botón de color azul
(bluetooth) nos permite acceder a la lista de dispositivos bluetooth vinculados
para hacer conexión con alguno de ellos, además posee cuatros campos de
visualización de variables: el primero es la temperatura actual del criadero de
pollos; el segundo es el porcentaje de humedad relativa actual de nuestro
prototipo; el tercero nos muestra el valor de set point de temperatura que
posee el sistema en el momento puede ser por default o por fijación posterior
del usuario; el cuarto y último contiene el valor de set point de porcentaje de
la humedad.
37
Ilustración 18 Diseño visual aplicación android (Mera, Cristian)
38
3.3.2.2. DISEÑADOR DE BLOQUES
La plataforma usada por app inventor para la programación de la aplicación
android es por bloques. La programación por bloques de la aplicación
desrrollada se muestra en (ver Ilustraciones 19ª y 19b).
Ilustración 19a Codificación aplicación apk android, (Mera, Cristian).
39
En el diseñador de bloques se realiza la programación de la aplicación
android. App inventor nos proporciona un entorno amigable de programación,
con funciones muy intuitivas para cualquier programador.
La programación de la aplicación se divide en tres partes, la primera en la
que se realiza el enlace bluetooth entre android y el microcontrolador, la
segunda parte se encarga de recibir toda la información que ingresa por el
puerto serial, clasificarla y visualizarla en la pantalla del dispositivo (ver
Ilustración 20), con S.O android; y la tercera parte capta los valores de set
point fijados por el usuario y los envía por el puerto serial al microcontrolador
Ilustración 20b Codificación aplicación apk android, (Mera, Cristian).
Ilustración 21 Icono de aplicación android .apk instalada (Mera, Cristian)
40
4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
El proyecto se basa en un prototipo a escala de un galpón en el cual se
emulan condiciones de temperatura y humedad mediante lámparas y
humidificador, además un equipo micro controlado, programado, organizado
y priorizado por el sistema operativo ArdOs.
ArdOs es un sistema operativo avanzado diseñado para la serie de placas
micro controladas Arduino. Es totalmente configurable para ofrecerle
flexibilidad y ahorro de espacio.
Se listarán los componentes necesarios en la implementación del proyecto.
El micro controlador por medio del sistema operativo leerá las variables
ambientales de temperatura y humedad y proporcionara señales de salida
para igualar su valor al del set point para mantenerlas posteriormente.
Los elementos actuadores para el incremento de la temperatura son las
lámparas de rayos infrarrojos y para disminuir esta variable usaremos los
extractores y la solapa superior de nuestro prototipo. En cambio los
actuadores para el incremento de la humedad relativa son el humidificador y
para la disminución se utilizó los extractores de aire ubicados
estratégicamente para la expulsión de aire caliente al interior del criadero (ver
Ilustración 21).
PUERTO SERIAL
PUERTO SERIAL
41
4.1. ESTRUCTURA DEL PROTOTIPO
La planta presente en que se elaboró el proyecto es un prototipo a escala
1:10 de un galpón real, con unas medidas a escala natural de 100cm x 50cm
y a escala incrementada de 1000cm x 500cm, con capacidad para almacenar
hasta 500 pollos (10 pollos x 𝑚2). El esqueleto del prototipo está elaborado
en pino y externamente se encuentra forrado completamente con una
delgada película de PVC para aislar el lugar de cambios bruscos de
temperaturas y humedad presentes al exterior de este.
4.2. ELEMENTOS DE CALEFACCIÓN
El elemento que nos proporciona calefacción es la bombilla de luz infrarroja
(ver Ilustración 22) con alimentación a 110v. Además, proporciona igual calor
y apenas el 25% de luz que un bombillo corriente, ideal para un galpón de
pollos ya que no afectara el descanso de las aves, permitiendo así que no
altere su crecimiento y aumento de peso.
Ilustración 23 Bombilla de luz infrarroja utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian)
Ilustración 22 Diagrama estructural del sistema automatizado (Mera, Cristian).
42
4.3. ELEMENTOS DE HUMIDIFICACIÓN
El elemento que nos permite humidificar el aire al interior del galpón es un
humidificador de aire portátil con alimentación de 12vDc (ver Ilustración 23)
y corriente de 130 a 150mA. Este humidificador trabaja en 3 ciclos, un primer
ciclo de reposo en el que espera a ser habilitado de forma manual, al ser
habilitado de forma manual entra a un ciclo de aspersión de agua con un flujo
y presión capaz de elevar el valor de humedad un 10% en tal solo 30
segundos en un espacio de 2500𝑐𝑚2, y con un segundo toque manual entra
a su tercer ciclo en donde el flujo y presión será menor. Su uso habitual en
este ciclo es para aromatizar un ambiente a la espera de ser deshabilitado
de nuevo y entrar a su estado de reposo.
Por su método de funcionamiento solamente utilizaremos los dos primeros
ciclos, y la habilitación al ser exclusivamente manual la utilizaremos como
confirmación para el aumento de la humedad en el recinto.
Ilustración 24 Humidificador de aire utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian)
43
4.4. ELEMENTOS DE VENTILACIÓN
Para la instalación del sistema de enfriamiento se toma en cuenta que las
partículas de aire caliente se dispersan provocando que cambie su volumen
y su peso sea menor ubicándose por encima del aire frio. Gracias a esto se
ubicaron estratégicamente extractores de aire (ver Ilustración 24) que
expulsara el aire caliente por fuera del prototipo, disminuyendo el calor y a
humedad relativa del galpón.
Los extractores a usar son alimentados a 12VDC con consumo de corriente
de 0.18 A.
Ilustración 25 Extractor de aire utilizado en el proyecto, (Mera, Cristian)
4.5. ELEMENTO DE REALIMENTACIÓN
Para nuestro proyecto se utilizó el sensor AMT1001, una de sus
características más importantes es que de él podemos extraer las dos
variables que deseamos controlar temperatura y humedad relativa, este
sensor tiene un voltaje de alimentación de 4 – 5.5 VDC, utiliza dos pines de
comunicación.
44
El AMT1001 tiene un rango de operación de 20 – 90% para la humedad
relativa y de 0 – 50°C para la temperatura.
La señal del sensor para el pin OUT HR tiene una salida en voltaje con el
siguiente comportamiento (ver Ilustración 25):
Ilustración 26 Diagrama de salida para la humedad AMT1001, http://www.aosong.com/asp_bin/Products/en/humidity%20sensor%20AM1001.pdf
Mientras que la salida de temperatura se comporta como un termistor tipo
NTC (Negative Temperature Coefficient), su comportamiento se define con
la siguiente tabla (ver Tabla 4):
45
Tabla 4 Valores de resistencia NTC sobre AMT1001 para detección de temperatura, http://www.aosong.com/asp_bin/Products/en/humidity%20sensor%20AM1001.pdf
46
5. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO
Las pruebas del prototipo (ver Ilustración 26) se realizaron en la ciudad de
Cali Valle, un día cálido con temperatura ambiente de 30.9°c y porcentaje de
humedad relativa de 40.9% según elementos de medición propios del
proyecto.
Para probar la fidelidad en la medición del sensor de temperatura y el
programa se realiza una comparación con la medición de un termómetro
digital para bebes. Se eligió este instrumento ya que son los que
proporcionan lecturas más precisas (Pomares, 2016).
5.1. PRUEBA DE CONTROL DE TEMPERATURA
5.1.1. INCREMENTO DE TEMPERATURA
La prueba para el control de temperatura en etapa de calefacción se realizó
aumentando la temperatura actual del galpón 3°C partiendo desde 26.3°C.
Se fijó una temperatura de set point de 29°C, se tomaron datos de tiempo
Ilustración 27 Prototipo funcionando, (Mera, Cristian)
47
cada vez que cambiara la variable de temperatura 0,1°C obteniendo (ver
Tabla 5),
Tiempo(s) Temper. (°C) Tiempo(s) Temper. (°C) Tiempo(s) Temper. (°C)
12 26,3 183 27,6 406 28,9
26 26,4 202 27,7 422 29
34 26,5 216 27,8 439 29,1
49 26,6 234 27,9 446 29
61 26,7 243 28 458 28,9
81 26,8 265 28,1 464 29
99 26,9 276 28,2 468 28,9
109 27 281 28,3 470 29
117 27,1 302 28,4 478 29,1
131 27,2 316 28,5 482 29
143 27,3 330 28,6 487 28,9
154 27,4 360 28,7 495 29
169 27,5 383 28,8
Tabla 5 Prueba de control de temperatura, incremento, (Mera, Cristian)
Con estos datos (ver Ilustración 27) podemos evidenciar que la temperatura
le tomo aprox. 8 minutos para estabilizarse en el set point propuesto por el
usuario, lo cual es un desempeño óptimo para la aplicación en que se usa.
Ilustración 28 Grafica temperatura vs tiempo con control implementado, incremento, (Mera, Cristian)
48
5.1.2. DECREMENTO DE TEMPERATURA
La prueba para el control de temperatura en etapa de enfriamiento se realizó
disminuyendo la temperatura actual del galpón 3°C partiendo desde 30°C, se
fijó una temperatura de set point de 27 °C, se tomaron datos de tiempo cada
vez que cambiara la variable de temperatura 0,1°C obteniendo (ver Tabla 6),
Tiempo(s) Temper. (°C) Tiempo(s) Temper. (°C) Tiempo(s) Temper. (°C)
0 30 98 28,7 257 27,4
15 29,9 110 28,6 271 27,3
19 29,8 119 28,5 282 27,2
28 29,7 127 28,4 296 27,1
31 29,6 148 28,3 315 27
34 29,5 157 28,2 319 26,9
43 29,4 169 28,1 324 27
51 29,3 183 28 335 26,9
63 29,2 201 27,9 349 27
67 29,1 211 27,8 358 26,9
78 29 222 27,7 371 27
84 28,9 235 27,6
92 28,8 247 27,5 Tabla 6 Prueba de control de temperatura, decremento, (Mera, Cristian)
Con estos datos (ver Ilustración 28) podemos evidenciar que la temperatura
le tomo aprox. 5 minutos para estabilizarse en el set point propuesto por el
usuario, lo cual es un desempeño óptimo para la aplicación en que se usa.
Ilustración 29Grafica temperatura vs tiempo con control implementado, decremento, (Mera, Cristian)
49
5.2. PRUEBA DE CONTROL DE HUMEDAD
5.2.1. INCREMENTO DE HUMEDAD RELATIVA
La prueba para el control de humedad en etapa de humidificado se realizó
aumentando la humedad actual del galpón 10% partiendo desde 50%, se fijó
un %HR de set point de 60%, se tomaron datos de humedad cada cierta
cantidad de tiempo obteniendo (ver Tabla 7),
TIEMPO(S) HUMEDAD (%)
0 50
8 52,3
12 53,8
20 54,6
27 56,7
33 58,2
41 59,3
45 60
50 62,1
57 61,8
62 60,2
68 59,8
73 60,4
Tabla 7 Prueba de control de humedad, incremento, (Mera, Cristian)
Con estos datos (ver ilustración 29) podemos evidenciar que la humedad le
tomo aprox. 1 minuto para estabilizarse en el set point propuesto por el
usuario, lo cual es un desempeño óptimo para la aplicación en que se usa.
50
5.2.2. DECREMENTO DE HUMEDAD RELATIVA
La prueba para el control de humedad en etapa de deshumidificado se realizó
disminuyendo la humedad actual del galpón 10% partiendo desde 60%, se
fijó un %HR de set point de 50%, se tomaron datos de humedad cada ocho
segundos obteniendo (ver Tabla 8),
Tiempo(s) Humedad (%) Tiempo(s) Humedad (%)
0 60 88 52,3
8 59,3 96 51,7
16 58,4 104 51,4
24 57,6 112 51
32 56,5 120 50,8
40 55,4 128 50,5
48 54,9 136 50,2
56 54,3 144 49,5
64 53,9 152 50,1
72 53,2 152 50,1
80 52,8
Tabla 8 Prueba de control de humedad, decremento, (Mera, Cristian)
Ilustración 30 Grafica humedad vs tiempo con control implementado, incremento, (Mera, Cristian)
51
Con estos datos (ver Ilustración 30) podemos evidenciar que la humedad le
tomo aprox. 2 minutos para estabilizarse en el set point propuesto por el
usuario, lo cual es un desempeño óptimo para la aplicación en que se usa.
49
51
53
55
57
59
61
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Control de Humedad (% Humedad vs Tiempo)
Ilustración 31 Grafica humedad vs tiempo con control implementado, decremento, (Mera, Cristian)
52
6. OPTIMIZACIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES
6.1. FUENTE DE CALOR E ILUMINACIÓN
En primera estancia la fuente de calefacción se había propuesto
implementarla con bombillos o lámparas incandescentes de 100w su
principal característica es que el 85% de la potencia consumida es
transformada en calor y solo en 15% restante en luz, el calor que podía
proporcionarnos gracias al efecto joule por su elevado consumo de potencia,
y así tener un buen uso como fuente de calor en nuestro proyecto.
El problema se presentó cuando se observó que en los criaderos de pollos
cuando cae la noche es necesario apagar la fuente de iluminación para que
las aves no sufran de insomnio provocando estancamiento en el crecimiento
y engorde de los pollos o fulminantes infartos.
Las lámparas de luz infrarrojas con consumo de potencia de 35w, presentan
la ventaja de producir la misma cantidad de calor de un bombillo
incandescente de 100w y solo un 10% de iluminación que estos, además de
consumir mucha menos energía.
6.2. CAMBIO EN SISTEMA DE HUMIDIFICACIÓN
La primera opción implementada para humidificar el sistema fue la instalación
de una pequeña bomba de agua en un tanque de agua conectada por medio
de una manguera a un aspersor o rociador de agua (ver Ilustración 29), el
incremento en el porcentaje de humedad relativa tenía una respuesta muy
rápida pero el inconveniente fue que los aspersores no tienen una boquilla lo
53
suficiente fina para solo humidificar el aire si no que derrocha grandes
cantidades de agua en el terreno a trabajar.
Se necesitaba un humidificador con una boquilla muy fina para estar acorde
con el sistema a implementar, entonces se optó por usar un humidificador
ultrasónico (ver Ilustración 31) que el sistema de aspersión era apto para el
uso a dar. El inconveniente presentado es que su montaje es para toma de
mechero (utilizado en vehículos tradicionalmente como encendedor de
cigarros o actualmente para carga de dispositivos), entonces fue necesario
la implementación en nuestro prototipo de tomas de mechero con una
alimentación de 12VDC.
El humidificador ultrasónico implementado cuenta con una habilitación táctil
para el inicio de su ciclo de trabajo después de la energización, por lo que
fue necesario omitir físicamente esta habilitación para que la única
habilitación del humidificador sea una salida digital del microcontrolador.
Otra ventaja del humidificador ultrasónico es su diseño compacto que
optimiza el prototipo realizado.
Ilustración 32 Sistema de riego, Automatización de invernadero implementado por (Muñoz Jaime, Núñez Alejandro) a Humidificador de aire ultrasónico (Mera, Cristian)
54
6.3. CAMBIO EN EL DISPOSITIVO DE REALIMENTACIÓN DEL
SISTEMA DE LAZO DE CONTROL
El sensor DHT11 se eligió por vez primera al momento de la implementación
de un elemento que permitiera la realimentación en variables de temperatura
y humedad relativa en nuestro prototipo, fue elegido por su bajo costo aunque
su resolución fuera relativamente baja por que para el sistema a implementar
no era necesaria un valor de off-set de señal alta.
Al realizar el controlador del lazo de control de temperatura se vio la
necesidad de poner un sensor con una resolución mayor para tener un mejor
control en nuestra variable.
Entonces se decidió usar el sensor AMT1001 que posee una resolución
decimal, es decir, los valores tanto para temperatura como humedad relativa
son números con una cifra decimal.
6.4. CAMBIO DE ELEMENTO ELECTRÓNICO PARA LA
ACTIVACIÓN DEL ENCENDIDO DE LAS LÁMPARAS POR
MEDIO DE UNA SALIDA DIGITAL DE 5VDC
La activación del encendido de las lámparas se estaba realizando por medio
de un relevo con bobina alimentada a 5VDC y contactos que permiten 10A
como flujo de corriente a 220V máximo de tensión, pero debido a la velocidad
y cantidad de interrupciones, que tenían una gran posibilidad de ocasionar
una avería en el relé se sustituyeron por SCR´s que nos proporcionaban el
mismo uso pero con la ventaja de que no tendría problemas con las
interrupciones producidos por el PWM en el microcontrolador, se
implementaron los SCR´s como el principio de fabricación de arrancadores
suaves en su etapa de potencia para el arranque de motores.
55
7. CONCLUSION
Por medio de este proyecto de tecnología de automatización para criadero
de pollos, se logró obtener una información estructurada y detallada acerca
del control de calor y humedad relativa en dicho prototipo. Con este sistema
se logra solucionar problemas relacionados con la crianza de pollos y el
manejo adecuado de las condiciones que se requiere dar para su prospera
producción. El objetivo de todo trabajador avícola es sacar al mercado
productos, en este caso pollos de engorde, de excelente calidad para la
rentabilidad comercial que estos le generan.
No son desconocidas las enfermedades y los problemas que estos pollos de
engorde sufren durante el proceso de crianza. Por este motivo, se logró
implementar un sistema que permite establecer los valores de temperatura y
humedad relativa en dichos galpones a través de una aplicación para
cualquier dispositivo que contenga sistema operativo android. Uno de los
logros obtenidos, es el ofrecer a estas personas la posibilidad de controlar y
configurar su galpón desde su teléfono celular por medio de una conexión
bluetooth a una distancia aproximada de 15 metros (distancia máxima de
alcance en dispositivos bluetooth) y de igual manera, darle un buen
funcionamiento. Lo cual les dará la oportunidad de tener un espacio más
amplio de tiempo que les permita desarrollar otra labor por ejemplo de
ganadería, agricultura, entre otras en dicha zona, y de esta manera generar
un ingreso económico adicional.
Cabe destacar que este sistema es posible implementarlo en diferentes
regiones de Colombia. Donde, no solamente permitirá un aumento en la
cantidad de aves, sino también la independencia de estas personas que
trabajan en este oficio, dado que ellos mismos pueden controlar su galpón y
disminuir personal y gastos por contratación.
Es importante reconocer que el proyecto se encaminó por controlar estas
problemáticas presentadas en los diferentes galpones, ya que la producción
56
por muerte de las aves genera un decremento en la comercialización e
ingresos de estas personas. Por ello, se realizaron una serie de márgenes de
ensayo y error lo cual permitió evidenciar que la temperatura y humedad
relativa tiene un control adecuado que disminuirá en un alto porcentaje el
estrés calórico que presentan estas aves, la hiperventilación, deshidratación
y muerte por desórdenes fisiológicos. Así mismo, los cambios climáticos que
se presenten en dicha zona, no impactarán negativamente el proceso que se
lleva a cabo.
La implementación de este prototipo logró dar referencia de las variables y
características que se presentan en un galpón. Así mismo, de generar ayudas
significativas para las problemáticas presentes en estos sitios, a través de
pruebas realizadas, que dieron lugar a la validez del diseño propuesto y
podría garantizar las óptimas condiciones en el crecimiento y desarrollo de
los pollos en un galpón a escala real, lo cual se verá evidenciado en la
rentabilidad de estas personas, gracias a la disminución de mortalidad de las
aves y al bienestar de las mismas.
El prototipo es una herramienta útil para monitorear y ajustar variables
presentes durante el control de galpones, con la ayuda de un sistema
operativo que permite una mayor flexibilidad en la programación y
mantenimiento del mismo, teniendo en cuenta las tareas programadas, y
añadiendo el control realizado en el lazo de temperatura y humedad. En este
caso, el controlador proporcional permite un mejor desempeño en el sistema,
ampliando la efectividad y aumentando la productividad de la planta
propuesta.
57
8. BILIOGRAFIA
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60
9. ANEXOS
9.1. CÓDIGO DE PROGRAMA PRINCIPAL SO.
#include <kernel.h>
#include <queue.h>
#include <sema.h>
#define NUM_TASKS 5
#define sensort A1
#define sensorh A0
#define bulb 3
#define fan 5
#define humidificador 6
#define sw 7
OSSema sem, sem1, sem2, sem3;
#define QLEN 8
int qbuf[QLEN];
OSQueue msg;
void task1(void *p)
{
unsigned int val;
while(1)
{
val=(unsigned int) OSDequeue(&msg);
if((val>100)&&(val<480)){
Serial.println(val);
OSSleep(600);
61
}
}
}
void task2(void *p){
int ts=200;
int ts1=1000;
int ts2=1000;
float temperatura=30;
float humedad=50;
float vart=0;
float varh=0;
float sptemp=30;//set point app T
float sph=50;// set point app HR
unsigned long t=0;//tiempo presente
unsigned long t1=0;//Tiempo pasado
unsigned long t2=0;//tiempo presente para lectura temp analoga
unsigned long t3=0;//Tiempo pasado para lectura temp analoga
unsigned long t4=0;//tiempo presente para lectura hum analoga
unsigned long t5=0;//Tiempo pasado para lectura hum analoga
double y;//Salida del sistema
double e;//Error / Diferencia de la salida con el set Point
double u;//Producto del compensador con el error
double c=0.203;//Compensador dado por afinamiento en MATLAB
int lec=0;
boolean flag1=0;
boolean flag2=0;
boolean flag3=0;
62
while(1)
{
if(Serial.available()>0){
lec=Serial.read();
// Recibiendo valores de set point Temperatura
if(lec<141){
if(lec>125){
sptemp =lec;
flag1=1;
}
}
// Recibiendo valores de set point Humedad
if(lec<256){
if(lec>219){
sph =lec;
flag2=1;
}
}
OSEnqueue(sptemp,&msg);
OSEnqueue(sph,&msg);
if(flag1==1){
sptemp=sptemp-100;
flag1=0;
}
if(flag2==1){
sph=sph-175;
flag2=0;
}
63
}
if(temperatura>sptemp){
OSGiveSema(&sem);
OSSleep(50);
}
if(humedad<sph){
OSGiveSema(&sem1);// ON Humidificador
OSSleep(50);
}
if(humedad>sph){
OSGiveSema(&sem2);// OFF humidificador
OSSleep(50);
}
//control de temperatura
if(sptemp>=temperatura){
t=OSticks();
int ct= t-t1;//Cambio de tiempo es tiempo presente - tiempo pasado
if(ct>=ts){//Cuando se cumpla el tiempo de muestreo
y=temperatura;
e=sptemp-y;
u=c*e*255;
t1=t;
if(u>250){
u=255;
}
if(u<0){
u=0;
}
64
}
digitalWrite(fan,LOW);
analogWrite(bulb,u); //salida hacia bombillo
OSSleep(50);
}
//Lectura analoga de temperatura
t2=OSticks();
int ct1=t2-t3;
if(ct1>ts1){
vart=analogRead(sensort);
temperatura=log(10000.0*((1024.0/vart-1)));
temperatura=1/(0.001129148+(0.000234125+(0.0000000876741*temperatura*temperatura))*temperatura);
temperatura=temperatura+26.85;
t3=t2;
OSEnqueue(temperatura,&msg);
temperatura=temperatura-300;
OSSleep(50);
}
//_______________________________________________________________________
t4=OSticks();
int ct2=t4-t5;
if(ct2>ts2){
varh=analogRead(sensorh);
humedad=(0.163*varh)+400;
t5=t4;
65
OSEnqueue(humedad,&msg);
humedad=humedad-400;
OSSleep(50);
}
}
}
void task3(void *p)
{
while(1)
{
OSTakeSema(&sem);// ON Extractores
analogWrite(bulb,0);
digitalWrite(fan, HIGH);
}
}
void task4(void *p)
{
while(1)
{
OSTakeSema(&sem1);// ON Humidificador
digitalWrite(humidificador,HIGH);
}
}
void task5(void *p)
{
while(1)
{
66
OSTakeSema(&sem2);// OFF Humidificador
digitalWrite(humidificador,LOW);
}
}
void setup()
{
OSInit(NUM_TASKS);
Serial.begin(9600);
pinMode(fan,OUTPUT);
pinMode(humidificador,OUTPUT);
pinMode(sw,INPUT);
OSCreateSema(&sem, 0, 1);
OSCreateSema(&sem1, 0, 1);
OSCreateSema(&sem2, 0, 1);
OSCreateQueue(qbuf, QLEN, &msg);
OSCreateTask(1, task1, NULL);
OSCreateTask(0, task2, NULL);
OSCreateTask(2, task3, NULL);
OSCreateTask(3, task4, NULL);
OSCreateTask(4, task5, NULL);
OSRun();
}
void loop(){
// Empty
}
