Cultivo hidropónico inteligente controlado por Arduino

En este artículo os vamos a contar el que ha sido hasta la fecha el proyecto más ambicioso que hemos realizado en nuestro colegio: la creación de un sistema modular inteligente para controlar un cultivo hidropónico, de tal forma que se pueda mostrar durante este año su funcionamiento con plantas de nuestra comunidad.

Este proyecto fue realizado durante todo el pasado curso por el grupo “avanzado” de la actividad Robótica en Familia, el cual está formado por padres y alumnos. Los alumnos más jóvenes se centraron en la creación de la estructura y los más mayores y “expertos” en la programación y  conexionado a un Arduino Mega. Todo ello no hubiera sido posible sin la mentorización de Luis Martín y Jorge Mata de Innovart (https://innovart.cc/), que guiaron al grupo para conocer los diferentes sensores, saber cómo utilizarlos y programarlos, y finalmente montar toda la plataforma.

Nuestro proyecto es un cultivo de interior basado en hidropónicos, un método utilizado para cultivar plantas utilizando soluciones minerales en lugar de suelo. La estructura general es de aluminio. La estructura a través de la cual circula el agua consiste en tuberías de PVC cortadas y pegadas a mano, y consta de 6 niveles a través de los cuales pasa el agua. Cada nivel ha sido perforado para colocar macetas. Las piezas en 3D también han sido diseñadas para que las macetas no se muevan y para soportar la iluminación. En la parte inferior hay un tanque en el que cae el agua del sistema y mediante el cual se pueden agregar diferentes componentes al agua. En caso de tener que drenar el tanque, disponemos de un drenaje manual.

En resumen estas son las tres partes diferentes:

  • Estructura modular: PVC y marco de aluminio para soportar todo el sistema hidropónico.
  • Circuito electrónico: control principal del “cerebro” digital de nuestro sistema.
  • Sensores / actuadores: miden y controlan todos los datos y parámetros de nuestro sistema.

El dispositivo permite controlar el estado de las plantas mediante la detección de varios parámetros:

  • Temperatura del aire y humedad.
  • Temperatura de agua
  • pH
  • Conductividad

Finalmente utilizará diferentes tipos de actuadores para modificar el estado de las plantas al irrigarlas, activar las luces o liberar nutrientes:

  • Bomba de agua
  • Luz de crecimiento
  • Alimentador de nutrientes

El dispositivo envía periódicamente la información a un servidor web mediante WiFi. También diseñaron una aplicación que permite visualizar estos datos desde un dispositivo Android.

La lista de materiales utilizados en el proyecto son los siguientes:

Materiales de la estructura:

  • Tubo PVC de 100 mm de diametro (6 metros)
  • Tubo PVC de 40 mm de diametro (2 metros)
  • Conectores 100-40mm PVC tube x12
  • Conectores 40-10mm PVC x1
  • Conectores 100-40mm PVC connector x12
  • Conectores 90º 40mm x12
  • Depósito agua acrílica
  • Tubo flexible 10mm  x 2 metros
  • Tabla madera 2m  2x1x1 metros
  • Marco aluminio x16metros
  • Conectores 3 marcos x8
  • Conectores 4 marcos x8
  • Conectores 5 marcos x2
  • Ruedas x4
  • Pegamento PVC

Materiales eléctricos/electrónicos:

  • Arduino MEGA
  • Arduino MEGA box
  • Protoboard MEGA
  • Connector protoboard MEGA
  • 12v power supply
  • Relay module
  • ESP8266 module
  • HC05 module
  • Temperature sensor waterproof
  • Temperature and humidity ambient sensor
  • Water pump
  • PH/conductivity board
  • PH sensor
  • Conductivity sensor
  • Grow light
  • Fish feeder

Otros:

  • Macetas

Podéis ver en las siguientes imágenes un pequeño resumen visual del montaje de la estructura:

Una vez creada la estructura hubo que empezar a preparar los tubos. Nuestra estructura tendría 6 niveles con huecos para 5 macetas por tubo:

 

A continuación hubo que hacer los agujeros en los tubos para soportar las macetas:

En un cultivo hidropónico, hay que tratar de llevar el agua rica en nutrientes a las raíces de la planta mientras se asegura de que aún haya suficiente oxígeno en el agua. Nosotros creamos un sistema NFT (técnica de película de nutrientes). Para esto, necesitábamos un flujo pequeño pero constante de agua con el que las raíces de la planta puedan entrar en contacto.

El agua contiene todos los nutrientes que las plantas desean, mientras que el flujo constante garantiza que haya suficiente oxígeno en el agua.

Las plantas necesitan algo para sostenerlas y, aunque no tendremos tierra para sostenerlas, aquí es donde entran los medios hidropónicos. Utilizamos las bolas de arcilla expandida que nos proporcionan el  soporte a las plantas, y un pequeño amortiguador para retener el agua.

Después tuvimos que montar el sistema eléctrico. Conectamos todos los cables y sistema eléctrico utilizando el marco de aluminio como soporte. Se conecta a 220V mediante una fuente de alimentación de 3A 12V. Encima de la estructura conectamos luces crecientes. Las nuestras son tiras de LED de 12 V y consumen aproximadamente 0.5 A por metro de longitud. En la parte inferior conectamos la bomba de agua que utiliza 1A. El consumo del circuito principal es de alrededor de 0.5A.

Por último diseñamos diferentes partes impresas en 3D para soportar los diferentes elementos. Utilizamos Tinkercad, un programa de CAD 3D en línea muy simple:

  • Macetas / vasos de plástico: creamos soportes redondos para colocarlos encima de las tuberías. Descarga aquí
  • Luces de crecimiento: creamos soportes para colocarlos en el marco de aluminio. Descarga aquí

Hasta aquí la primera parte de montaje y preparación de estructura. La siguiente semana contaremos toda la parte de electrónica y programación, pero no queremos despedirnos de lo que será un avance del proyecto una vez finalizado contado por los propios protagonistas:

 

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