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Controlador de cultivo hidropónico NFT

Trabajo Final Maestría en Internet de las Cosas

Autor: Esp. Ing. Gustavo ZoccoDirector: Dr. Ing. Ariel LutenbergCo-director: Téc. Carlos Pantelides

Jurados: Esp. Ing. Juan Vicente Montilla CabreraMg. Ing. Ericson Joseph Estupiñan PinedaEsp. Ing. Julián Iglesias

Cultivo hidropónico NFT (Nutrient Film Technique)

● Sistema de cultivo no convencional● No emplea el suelo como sustrato● Emplea una solución nutriente recirculante● Permite cultivar de forma vertical● Ampliamente empleado para cultivar hortalizas

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Cultivo hidropónico NFT horizontal

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Cultivo hidropónico NFT vertical

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Estudio del mercado de Argentina

● INTA registra 5100 establecimientos de cultivo bajo cubierta● En total son 3685 ha de distintos cultivos● Estos cultivos se pueden migrar a métodos hidropónicos● Nuevos sitios de cultivo en zonas desfavorables

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Modelo de

negocio

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Ventajas del cultivo hidropónico

● Disminuye en un 90% el consumo de agua● Incrementa de 3 a 10 veces la producción● Disminuye a la mitad el tiempo de cultivo● Posibilita el cultivo en zonas desfavorables● Posibilita cultivo en interiores● No se necesitan pesticidas● Posibilita la producción cerca del lugar de consumo

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Desafíos del cultivo hidropónicoLa calidad y la productividad dependen del control de numerosos parámetros de:

○ Temperatura y humedad ambiente○ Caudal de la solución nutriente○ Temperatura de la solución nutriente○ Cantidad y calidad de luz○ Registro de buenas prácticas y los parámetros aplicados

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Objetivos

● Medir, registrar y controlar los parámetros de interés● Permitir ajuste manual y automatizado● Permitir visualizar el estado del cultivo● Análisis y apoyo a la toma de decisiones● Registrar resultados de las buenas prácticas● Posibilitar el empleo de algoritmos de Inteligencia Artificial

para optimizar el control de las variables

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Arquitectura del sistema

Las responsabilidades del sistema se dividieron en:

● Nodo central● Nodo concentrador● Nodos sensores y actuadores

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Diagrama en

bloques del

sistema

Nodo central - arquitectura

● Se adoptó una arquitectura de microservicios● Se desarrolló un sistema modular y escalable● Se obtuvo alto grado de desacoplamiento de sus funciones● Los servicios corren como contenedores de Docker● Se orquestó utilizando docker-compose

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Docker

Nodo central - responsabilidades

● Recibir la información procedente de los nodos SA● Recibir los eventos de accionamiento de los actuadores ● Almacenar información en las bases de datos● Evaluar la información recabada● Reaccionar ante eventos emergentes ● Ejecutar tareas programadas● Proveer interfaz de usuario● Proveer API para disponibilizar los datos

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Nodo central - servicios

● Backend:○ Bases de datos MySQL○ Acceso a bases de datos○ Transacciones MQTT○ Gestión de los nodos○ Monitoreo de eventos

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● Frontend:○ Servidor web Nginx○ Aplicación web híbrida

Nodo central - diseño

● Backend:○ Desarrollado en Javascript sobre la plataforma Node.js○ Expone URIs de endpoints basadas en API Rest ○ Interactúa mediante métodos HTTP en las URI expuestas

● Frontend:○ Desarrollado sobre framework Angular e Ionic○ Emplea servicios de Angular para dialogar con el backend

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Diagramade

interacción entre losservicios

Nodo concentrador

● Emplazados en los establecimientos de cultivo ● En conjunto con red inalámbrica Wi-Fi● Implementado en una placa Raspberry Pi 4● Su principal función es como Broker MQTT● Implementado por medio del software Mosquitto

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Nodo concentrador - comunicaciones

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● Implementados sobre placas ESP32-WROOM-32SE

● Se desarrolló un firmware bare metal● Se implementó conectividad Wi-Fi● Se comunican por protocolo MQTT● Lectura de sensores● Accionamiento de actuadores

Nodos de sensores y actuadores

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Banco de pruebas

delsistema

Demostración

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Resultados alcanzados

● Verifica la circulación de la solución nutritiva● Alerta en caso de falla en la bomba de agua● Reacciona frente a diversos eventos emergentes● Controla la temperatura y humedad del ambiente● Acciona la ventilación forzada● Registra la temperatura de la solución nutriente● Gobierna el accionamiento de electroválvulas

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Próximos pasos

• Mejorar la estética yla experiencia de usuario

• Construir la aplicación móvil.

• Mejorar el firmware de los nodos SA

• Migrar a una base de datos documental

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• Desplegar la aplicación en la nube

• Automatizar el aprovisionamiento delos nodos

• Soportar actualizaciones remotas (OTA)

• Incluir más sensoresFrontend

Backend

Nodos SA

Gracias!!

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Preguntas?

Diagrama lógico

del sistema

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Nodo central - funciones

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Servicios Responsabilidad

MySQL Base de datos del sistema

Acceso a bases de datos API Rest que concentra los accesos a las BDs

Transacciones MQTT Concentra las publicaciones y suscripciones de MQTT

Gestión de los nodos Registra y asegura el estado de los nodos SA

Monitoreo de eventos Monitoreo y reacción ante eventos reportados

Aplicación Web Interfaz de usuario