Agro-Robótica. INVERNADERO ROBOTIZADO. La Teoría del Efecto Invernadero

 

 

En un sistema de invernaderos la producción se incrementa considerablemente cuando se controlan eficientemente  las variables climatológicas, que inciden directamente en todo el ciclo vegetativo de las plantas.

Hipótesis  
¿Por qué utilizar robots para mejorar la eficiencia agrícola en los invernaderos?

Objetivo
Este proyecto  tiene como objetivo  implementar herramientas y tecnologías robóticas  en los invernaderos para controlar las variables climáticas que permiten optimizar la eficiencia y aumentar la productividad.

El efecto invernadero.
El efecto invernadero es un fenómeno natural en el que una parte de la energía solar emitida por la tierra es absorbida y retenida en forma de calor en la baja atmósfera. Los gases existentes en la atmósfera, principalmente el vapor de agua, son la causa del efecto invernadero. Otros gases, tales como el dióxido de carbono, el metano, los óxidos de nitrógeno, el ozono y los hidrocarburos, juegan también su papel en el efecto invernadero”.

¿Qué es un invernadero?
Es una estructura cerrada cubierta por materiales transparentes, dentro de la cual es posible obtener un microclima artificial que permite  alcanzar alta productividad, a bajo costo, en menos tiempo, sin daño ambiental, protegiéndose de las lluvias, el granizo, los insectos o los excesos de viento que pudieran perjudicar un cultivo y con ello cultivar plantas todo el año en condiciones óptimas.

 

La luz solar penetra a través de las paredes del Invernadero calentando el interior
El recubrimiento es de un material transparente cristal o  Plástico.
Estos materiales dispersan la luz de forma que evitan la formación de sombra en el interior
Las plantas, la tierra o los sustratos del interior se calientan por efecto de la radiación solar

Las ventajas de cultivar en  invernaderos son:

Precocidad en los frutos y cosechas.
Aumento de la calidad y del rendimiento.
Producción constante todo el año.
Ahorro de agua y fertilizantes.
Mejora del control de insectos y enfermedades.
Se obtienen más ciclos productivos.
Se separa la producción de los factores climáticos.
Permite la implementación de soluciones alimentarias en la agricultura.
Las variables climatológicas más importantes a controlar dentro de un invernadero son:

Temperatura
Humedad relativa del aire
Radiación (nivel de luz)
Control del CO2
La  robótica en los invernaderos

En la automatización de los invernaderos se ha progresado bastante de forma que ahora es posible que un robot pueda realizar múltiples tareas repetitivas con gran precisión. Su empleo en el caso de la agricultura, específicamente en los invernaderos, abre amplias posibilidades productivas.

 

Un robot se puede utilizar para medir  y controlar variables climatológicas con el propósito de  proporcionar a las plantas condiciones óptimas de desarrollo.

Descripción del sistema

En la automatización de nuestro invernadero de estudio existen tres elementos importantes: el sistema robótico formado por un robot móvil y una estación fija, los sensores y los actuadores.

El robot móvil se desplaza  dentro del invernadero, autónomamente gracias a un controlador y a sus sensores, tomando medida de las variables climáticas y enviándola de forma inalámbrica (bluetooth) a la estación fija para su comparación y toma de decisión.

El robot móvil  lleva diferentes sensores  necesarios para medir el microclima en el invernadero, sensor de temperatura, humedad relativa, radiación, cámaras de inspección o brazos robot para recolección de datos, lo cual envían los datos de forma inalámbrica (bluetooth) a la estación fija.

La estación fija es también otro robot pero estacionario, recibe los datos del robot móvil y analiza las variaciones de los distintos parámetros respecto a unos valores programados inicialmente de acuerdo al tipo de cultivo y a la fase de crecimiento de la planta, se encarga de accionar los actuadores.

La tercera parte está formada por los sensores y actuadores, en nuestro modelo de estudio el robot móvil está equipado con tres sensores, temperatura, Iluminación y  humedad relativa del aire.

Los actuadores forman parte de la estación fija, se utilizan para accionar los mecanismos que abren las ventanas, activan el sistema de riego y los extractores de aire.

 

Tipo de cultivo en nuestro modelo
El cultivo que estamos utilizando en este modelo de invernadero  es de tomate. Ell invernadero está formado por dos líneas de cultivos “camellones” con un paseo central para el desplazamiento del Robot Móvil

Funcionamiento del invernadero
Lo que se pretende con este modelo de invernadero es  automatizar el control de las variables micro climáticas con la finalidad de mejorar la eficiencia y obtener un mayor rendimiento.

En el desarrollo de los cultivos, los factores climáticos que más influyen en el crecimiento del cultivo en sus diferentes fases de crecimientos son: Temperatura, Humedad relativa del aire, nivel de iluminación y control de CO2.

La Temperatura
Es la variable más importante a controlar dentro de un ambiente de   invernadero, debido a que es de vital importancia para el crecimiento y desarrollo de los cultivos.

En nuestro caso de estudio, cultivo de tomates, es importante conocer las necesidades y limitaciones de temperatura en las diferentes fases de crecimiento de la planta de tomate. En nuestro país el rango de temperatura óptimo para el cultivo de tomates es de 22-28ºC.

En cualquier tipo de cultivo es de vital importancia conocer:

La temperatura mínima letal, que es aquella por debajo de la cual la planta sufre daños irreparables a la planta.  La temperatura máxima y mínima biológica, que nos indica el intervalo de temperatura optimo para el desarrollo adecuado de la planta en una determinada fase vegetativa, como fotosíntesis, floración, fructificación, etc.

Control de la temperatura por el robot.
Nuestro robot está dotado de un sensor de temperatura, como el robot se puede desplazar a través del todo el invernadero, se mueve tomando dato de temperatura en diferentes zonas previamente identificadas, estos datos se envían a la estación fija de forma inalámbrica (bluetooth) se compara con los valores máximo y mínimo esperado, en caso de una alerta de temperatura muy alta, mayor al máximo esperado, la temperatura se reduce de dos formas en nuestro modelo de estudio:

Flujo de aire natural, la estación fija activa el actuador que controla la abertura de las ventanas cenitales para permitir la entrada de aire fresco desde el exterior.

Flujo de aire forzado, la estación fija acciona el actuador que controla el encendido de los extractores de aire, creando una corriente  de aire  forzada a través del invernadero.

La ventaja de utilizar un robot para medir esta variable es que la puede realizar con mayor precisión, en cualquier momento y en cualquier lugar dentro del invernadero, tomando las acciones inmediatamente de forma automática, además de que se puede crear un histórico de cada momento y lugar que se ha medido, para su análisis y toma de decisiones posteriores.

Humedad relativa del aire (HR)
Es otra de las variables climáticas a considerar dentro de un invernadero.

La humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, en relación con la máxima que sería capaz de contener a la misma temperatura” (2)

Un higrómetro es un instrumento que se usa para medir el grado de humedad del aire, del suelo, de las plantas o un gas determinado, por medio de sensores que perciben e indican su variación”.

Valor de HR

Cada especie tiene una HR idónea para crecer en perfecta condiciones.
Para nuestro caso de estudio, cultivo de tomate, el rango de humedad relativa ideal es   60-70%.

Controlar la HR del aire dentro del invernadero es de gran importancia, ya que es un factor climático que puede afectar el crecimiento y rendimiento del cultivo.

Si la HR está por encima del valor máximo esperado (70%) las plantas reducen la transpiración y disminuye su crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor desarrollo de enfermedades.

En nuestro modelo
El robot está dotado de un Higrómetro, que le permite medir  la HR del aire en cualquier zona dentro del invernadero, envía a la estación fija el valor  de HR medido, si el valor está fuera del rango optimo (60-70%), la estación fija acciona el actuador correspondiente para corregir el valor de HR y llevarlo al valor apropiado que no afecte la planta.

En caso de exceso de HR se corrige, activando el riego de agua, pulverizando agua en el ambiente, incrementando la ventilación, creando sombras.

En nuestro modelo de estudio si la HR es muy alta la estación fija activará automáticamente  una bomba de agua para iniciar el riego de las plantas.

 

Importancia de la Iluminación.
La cantidad de luz diaria recibida en el invernadero es de vital importancia para el proceso de fotosíntesis de las plantas. En nuestro país se recibe  una cantidad considerable de luz diaria, podría presentarse el caso de que sea necesario crear sombra para controlar el exceso de luz en el invernadero.

La luz interactúa fuertemente con la temperatura, y es así que para niveles bajos de luz las temperaturas óptimas que favorecen al cultivo son distintas a las necesarias para niveles altos de luz. A su vez, cada combinación luz-temperatura necesita un rango determinado de CO2 para llevar adelante la fotosíntesis de la manera más eficiente; y cada combinación luz-temperatura- CO2 requiere de un rango apropiado de agua, y así sucesivamente se asocian todos los factores involucrados en la producción.

Considerando la gran importancia que tiene la luz sobre el desarrollo de los cultivos, podemos actuar sobre el invernadero para mejorar su entrada y distribución. Algunas de las formas posibles son: orientación y diseño adecuados, elección del material de cubierta con mayor transmisión  y difusión de la luz, aplicación de mallas de sombreo de densidad apropiada y en el momento preciso, etc.

En nuestro modelo de estudio, el robot móvil dispone de un sensor de luz que mide la intensidad de iluminación dentro del invernadero. Si la intensidad es tan alta que provoca un incremento en la temperatura a un valor mayor que el máximo esperado, se envía una señal de alerta a la estación fija, en la estación fija se comparan los valores y se  acciona el actuador que mueve la malla de sobra sobre el techo del invernadero, de esta forma se reduce la cantidad de luz que penetra en el invernadero y por tanto la temperatura.

El CO2 en los invernaderos. La concentración de CO2 en invernadero tiene una importancia significativa. En nuestro caso de estudio no disponemos de un instrumento para medir el CO2, pero dado su gran importancia no podemos dejar  de mencionarlo.

El anhídrido carbónico de la atmósfera es la materia prima imprescindible de la función clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la atmósfera del invernadero con CO2, es muy interesante en muchos cultivos, tanto en hortalizas como en flores.

Los niveles sugeridos de CO2 dependen de la especie o variedad cultivada, de la radiación solar, de la ventilación, de la temperatura y de la humedad. El óptimo de asimilación está entre los 18 y 23º C de temperatura, descendiendo por encima del 23-24º C. Respecto a la luminosidad y humedad, cada especie vegetal tiene un óptimo distinto.

El efecto que produce la fertilización con CO2 sobre los cultivos hortícolas, es el de aumento de la precocidad de aproximadamente un 20% y aumento de los rendimientos en un 25-30%, mejora la calidad del cultivo así como la de su cosecha.

Resultados
Los resultados de esta experiencia “Automatización de Invernaderos”  utilizando robots en el control de las variables micro climática nos ha permitido observar las siguientes ventajas y desventajas:
Ventajas.
Mayor precisión en los datos recolectados  y por tanto mejor capacidad de respuesta.
Se obtiene alta eficiencia en la gestión del invernadero.
Mayor producción y mejor calidad de los productos de cultivo.
Comparado con los cultivos a cielo abierto se reduce considerablemente el impacto medio ambiental.
Se libera a los humanos de las tareas que pudieran resultar peligrosas cuando se manejan productos químicos.
Sobre todo aumenta considerablemente la calidad de vida de los productores al tener mayores ingresos económicos.
Desventajas
Altos costos  de los equipos robóticos.
Falta de personal calificado en área de robótica.
Diseño de invernaderos con rutas especiales para el desplazamiento de los robots
Conclusión
La utilización de tecnología robótica en la automatización de invernaderos con la finalidad de aumentar su eficiencia y por tanto la productividad para muchos parecería un sueño.

La robótica es una realidad, se debería  estudiar la factibilidad de su aplicación en estos momentos cuando se habla de la necesidad de producir más alimentos para enfrentar la  crisis alimentaria que se aproxima en todo el planeta. Las condiciones para iniciarse con esta tecnología están dadas y la tecnología existe, sólo falta unir voluntades entre los sectores público y privado, principalmente las universidades en los aspectos de formación del personal calificado en robótica.
Escrito por Eduardo Ventura