2021-1-DF-Mejía_Varela-DOCUMENTO FINAL TRABAJO DE GRADO-2022

•

SIN SIGLA

Jose Daniel Maya Cedeño

15/4/2024

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Bioingeniería

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Reingeniería del sistema automatizado de producción hidropónica del Laboratorio de
Experimentación Agrotécnica y de Energías Renovables (LEATYER) del programa de
Bioingeniería.

Danna Yiceth Mejía Suárez
Aury Johanna Varela González

Universidad El Bosque
Facultad de Ingeniería
Programa de Bioingeniería
Bogotá
2022

Reingeniería del sistema automatizado de producción hidropónica del Laboratorio de
Experimentación Agrotécnica y de Energías Renovables (LEATYER) del programa de
Bioingeniería.

Danna Yiceth Mejía Suárez
Aury Johanna Varela González

Trabajo de grado en modalidad de desarrollo de facultad para optar por el título de
Bioingenieras

Tutor académico: Juan Miguel Escobar Roa
Cotutor académico: Pedro Alfonso Lizarazo Peña

TABLA DE CONTENIDOS

1. RESUMEN 8
2. INTRODUCCIÓN 10
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 12
4. JUSTIFICACIÓN 14
5. OBJETIVOS 16
5.1 OBJETIVO GENERAL 16
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16
6. MARCO REFERENCIAL 17
6.1 MARCO CONCEPTUAL 17
6.2 MARCO GEOGRÁFICO 33
6.3 MARCO NORMATIVO 37
7. ESTADO DEL ARTE 39
8. METODOLOGÍA 41
8.1 LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS 41
a. FUNCIONALES 41
b. CALIDAD 43
c. TÉCNICOS 43
d. DEL USUARIO 46
8.2 DISEÑO DETALLADO 46
8.2.1 Diseño de caja negra 46
8.2.2 Diagrama de caja gris 48
8.2.3 Diseño de caja blanca 49
Sistema eléctrico 55
Funcionamiento del sistema de bombeo 60
Sistema de captura de imágenes 65
Sistema de mitigación de heladas 70
Sistema IoT 70
9. RESULTADOS DEL PROYECTO Y DISCUSIÓN 72
10. CONCLUSIONES 90
11. RECOMENDACIONES 91
12. BIBLIOGRAFÍA 92

LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Descripción de los nutrientes principales para las plantas en cultivo hidropónico. .......21
Tabla 2. Requerimientos funcionales para posibles componentes biológicos del sistema de
producción hidropónico automatizado. Datos aportados por unidad de crecimiento. ................42
Tabla 3. Requerimientos técnicos asociados a las variables de monitoreo. ..............................44
Tabla 4. Requerimientos técnicos asociados al control y automatización. .................................45
Tabla 5. Matriz de decisión para el material de la estructura. ....................................................53
Tabla 6. Matriz de decisión para el polímero de cobertura ........................................................53
Tabla 7. Matriz de decisión sobre sensor DHT. .........................................................................59
Tabla 8. Descripción de los sensores usados para el sistema de monitoreo y caracterización de
la lectura. ..................................................................................................................................62

LISTADO DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Representación del sistema NFT (Andrade Luque,2022) .....................................18
Ilustración 2. Representación de sistema hidropónico DWC (Andrade Luque, 2022). ...............19
Ilustración 3. Representación del sistema aeropónico (Márquez F, 2020). ................................20
Ilustración 4. Descripción gráfica de la tarjeta Arduino Uno (Vital, 2021). ..................................26
Ilustración 5. Representación gráfica del microcontrolador ESP8266 (Espresiff Systems, 2022)
.................................................................................................................................................27
Ilustración 6. Representación gráfica del ordenador Raspberry Pi (González, 2018) ................28
Ilustración 7. Módulo con cámara para Raspberry Pi (González, 2018). ...................................28
Ilustración 8. Coordenadas del LEATYER. Imagen tomada de Google Earth. B .......................34
Ilustración 9. Temperatura promedio por hora en Chía (WeatherSpark, 2022). .........................35
Ilustración 10. Temperatura promedio por mes en Chía (Weather Atlas, 2022). .......................36
Ilustración 11. Promedio mensual de humedad relativa en Chía (Weather Atlas, 2022). ...........36
Ilustración 12. Diseño de caja negra (Elaboración propia, 2022) ...............................................48
Ilustración 13. Diseño de caja gris (Elaboración propia, 2022) ..................................................49
Ilustración 14. Diagrama de caja blanca correspondiente al funcionamiento de los sistemas
implementados (Elaboración propia, 2022) ...............................................................................50
Ilustración 15. Estado inicial del plástico de cobertura, de ventanas y proceso de restauración.
(Elaboración propia) ..................................................................................................................51
Ilustración 16. Madera deteriorada y reemplazo por madera plástica. (Elaboración propia) ......52
Ilustración 17. Estado inicial de la madera, restauración e inmunización. (Elaboración propia) .52
Ilustración 18. Deterioro del sistema y proceso de restauración. (Elaboración propia) ..............52
Ilustración 19. Solución nutritiva hidropónica usada en el sistema. (Elaboración propia) ..........54
Ilustración 20. Sustrato empleado-Arlita (Laterlite, ficha técnica) ..............................................55
Ilustración 21. Implementación del sistema eléctrico actual (Elaboración propia) ......................56
Ilustración 22. Diseño del circuito implementado para el sistema de monitoreo (Elaboración
propia, 2022). ............................................................................................................................56
Ilustración 23. Portasondas diseñado para el proyecto anterior (Roa & Zea, 2017). .................57
Ilustración 24. Diseño e implementación de portasondas del proyecto actual (Elaboración
propia) ......................................................................................................................................58
Ilustración 25. Materiales utilizados para calibración de la sonda de pH (Elaboración propia) ..58
Ilustración 26. Interferencia en la comunicación con los sensores BME280. .............................58
Ilustración 27. Implementación del sistema de bombeo (Elaboración propia) ...........................60
Ilustración 28. Diagrama P&D del sistema de riego. NS: Flotador de nivel superior, NI: Flotador
de nivel inferior, TI: Temperatura infrarroja (temperatura del agua). (Elaboración propia, 2022)
.................................................................................................................................................62
Ilustración 29. Conexión entre Arduino Uno y ESP8266 para comunicación I2C (Elaboración
propia, 2022). ............................................................................................................................64
Ilustración 30. Diagrama de flujo del sistema de monitoreo de variables (Elaboración propia,
2022). .......................................................................................................................................65

Ilustración 31. Descripción del funcionamiento del sistema de captura de imágenes
(Elaboración propia,2022) .........................................................................................................66
Ilustración 32. Circuito eléctrico del sistema de captura de imágenes (Elaboración propia,
2022). .......................................................................................................................................67
Ilustración 33. Diseño e implementación del riel. .......................................................................68
Ilustración 34. Diseño realizado de la base que sujetael motor y el riel. ...................................68
Ilustración 35. Diseño e impresión de carro deslizador. ............................................................69
Ilustración 36. Módulo Tic500 empleado para el movimiento de la cámara. ..............................69
Ilustración 37. Diseño del sistema antiheladas (Elaboración propia) .........................................70
Ilustración 38. Diagrama de flujo de la conexión a la plataforma IoT ThingSpeak (Elaboración
propia, 2022) .............................................................................................................................71
Ilustración 39. Establecimiento del cultivo hidropónico (Elaboración propia) .............................72
Ilustración 40. Establecimiento del cultivo en suelo (Elaboración propia) ..................................73
Ilustración 41. Datos obtenidos de las variables de temperatura interna y externa. ..................75
Ilustración 42. Datos registrados de humedad relativa. .............................................................77
Ilustración 43. Gráfica obtenida de los valores de pH................................................................78
Ilustración 44. Gráfica obtenida de los valores de electroconductividad (EC). ...........................78
Ilustración 45. Medida de pH tomada en laboratorio. ................................................................79
Ilustración 46. Medida de EC tomada en laboratorio. ................................................................80
Ilustración 47. Datos registrados de longitud de las hojas (cm) durante el ciclo vegetativo. ......81
Ilustración 48. Comparación de crecimiento entre las 3 variedades cultivadas. ........................82
Ilustración 49. Análisis de la longitud de las hojas (cm) en cultivo en suelo. .............................83
Ilustración 50. Cosecha de las plantas del sistema hidropónico. ...............................................84
Ilustración 51. Análisis de suelo del LEATYER (Datos analizados en el Laboratorio de Aguas y
Suelos de la Universidad Nacional de Colombia). .....................................................................84
Ilustración 52. Análisis de imagen en semana 1. .......................................................................85
Ilustración 53. Análisis de imagen en semana 3. .......................................................................85
Ilustración 54. Análisis de imagen en semana 6. .......................................................................86
Ilustración 55. Regresión: longitud de hojas vs. Píxeles ............................................................87
Ilustración 56. Datos obtenidos del número de hojas. ...............................................................88
Ilustración 57. Regresión: número de hojas vs. cantidad de píxeles. ........................................88

LISTADO DE ANEXOS

Código Esclavo ……………………………………………. Anexo 1
Código Maestro ……………………………………………. Anexo 2
Algoritmo para el procesamiento de imágenes ………… Anexo 3
Manual de mantenimiento …………………………………Anexo 4
Manual de usuario …………………………………………. Anexo 5
Protocolo de pruebas ……………………………………… Anexo 6
Estudio de suelo LEATYER ………………………………. Anexo 7

1. RESUMEN

Resumen - En el laboratorio de experimentación agrotécnica y de energías renovables
de la Universidad El Bosque se llevó a cabo la reingeniería del proyecto “Fase de diseño
y construcción de un cultivo hidropónico para el desarrollo del LEATYER ”desarrollado
en el año 2017, debido a que el sistema que se tenía se encontraba en estado crítico, se
realizaron cambios en su infraestructura, arquitectura eléctrica, obtención y análisis de
variables numéricas mediante la recolección de datos de los sensores presentes los
cuales van dirigidos a una plataforma IoT donde son comparados con los parámetros
estipulados por la literatura para así cerciorarse que las lechugas tienen un correcto
desarrollo, a su vez se comparó el crecimiento de las lechugas en un sistema de
agricultura tradicional y un cultivo hidropónico a través de la captura de imágenes en una
muestra seleccionada, estas son tomadas periódicamente (1 vez por semana). Mediante
los resultados obtenidos fue posible establecer que el SPHA cuenta con las condiciones
óptimas para el crecimiento de las tres variedades cultivadas de lechuga (Batavia,
Romana , Lisa Verde).

PALABRAS CLAVE: Cultivo Hidropónico, electroconductividad, IoT, humedad,
temperatura, pH, procesamiento de imágenes.

ABSTRACT

Abstract - In the laboratory of agrotechnical experimentation and renewable energy of the
Universidad El Bosque was carried out the reengineering of the project "Design and
construction phase of a hydroponic crop for the development of LEATYER "developed in
2017, because the system that was in critical condition, changes were made in its
infrastructure, electrical architecture, and the collection and analysis of numerical
variables through the collection of data from the sensors present which are directed to an

IoT platform where they are compared with the parameters stipulated by the literature in
order to ensure that the lettuce has lettuce, obtaining and analysis of numerical variables
by collecting data from the sensors present which are directed to an IoT platform where
they are compared with the parameters stipulated by the literature in order to make sure
that the lettuces have a correct development, in turn, the growth of lettuces in a traditional
agricultural system and a hydroponic crop was compared through the capture of images
in a selected sample, these are taken periodically (1 time per week). Through the results
obtained it was possible to establish that the SPHA has the optimal conditions for the
growth of the three cultivated varieties of lettuce (Batavia, Romana, Lisa Verde).

KEY WORDS: Hydroponic Culture, electroconductivity, IoT, humidity, temperature, pH,
image processing.

2. INTRODUCCIÓN

La agricultura urbana se entiende como la producción de alimentos dentro de los
confines de las ciudades, proveyendo recursos y siendo estimulante para el desarrollo
sostenible de las mismas, contribuyendo así a mejorar la economía, proteger el medio
ambiente y fomentar la seguridad alimentaria (Carranza & Vinasco, 2021). Dentro de la
agricultura urbana se caracterizan los cultivos hidropónicos que permiten producir
hortalizas frescas y sanas sin uso del suelo y con reducido consumo de agua, además
permiten eficiencia y productividad de las plantas con aprovechamiento de espacio. Así
mismo, mejoran la calidad de los alimentos y disminuyen los costos de la canasta básica
de los mismos (Pérez & Aguirre, 2022). La implementación de cultivos hidropónicos ha
sido vista como una solución agrícola ante problemas como calentamiento global,
sobrepoblación y uso de productos agroquímicos, además, el desarrollo tecnológico ha
hecho posible la automatización de dichos cultivos explorando nuevas áreas permitiendo
rendimiento productivo (Kennard & Bamford, 2019).

El proyecto desarrollado en el año 2017 “Fase de diseño y construcción de un
cultivo hidropónico para el desarrollo del LEATYER” consistió en la implementación de
un sistema de cultivo hidropónico para el monitoreo de las variables críticas: pH, electro
conductividad, humedad externa e interna, temperatura externa e interna, flujo del agua
y concentración de CO2, de una hortaliza de ciclo de desarrollo corto y por medio del
cual se buscó dar solución a problemáticas relacionadas con la seguridad alimentaria,
entre las que se destacan disponibilidad de los alimentos insuficiente, baja capacidad
adquisitiva y malasprácticas nutricionales. Para ello, se realizó la construcción de una
estructura en forma de domo para implementar un cultivo hidropónico de lechugas de 3
variedades. Además, se implementó un sistema de monitoreo y control de variables para
la recolección de datos que posteriormente fueron comparados con un cultivo en suelo,
evaluando el rendimiento y el ahorro de recursos, cumpliendo así con las líneas de

trabajo de sostenibilidad alimentaria del programa y buscando el aprovechamiento del
área destinada para el proyecto (Roa & Zea, 2017).

Actualmente se lleva a cabo el proyecto de grado titulado “Reingeniería del
sistema automatizado de producción hidropónica del Laboratorio de Experimentación
Agrotécnica y de Energías Renovables (LEATYER) del programa de Bioingeniería” en el
cual se retoma el trabajo en el año 2017, realizando labores de restablecimiento de la
estructura mediante cambio de madera, de polímero de cobertura, arreglo de fugas de
agua, arreglo de ventanas, cambio de la arquitectura eléctrica, obtención y análisis de
variables numéricas mediante el uso de sensores y algoritmos con el fin de monitorear
el cultivo hidropónico y a su vez implementando un sistema antiheladas y un sistema de
procesamiento de imágenes con el fin de comparar el crecimiento de las plantas tanto
en el cultivo hidropónico como en cultivo convencional (en suelo).

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La cantidad de personas que padecen hambre aumenta cada vez más. El
crecimiento en la población y la disminución en la seguridad alimentaria son una
preocupación creciente a nivel mundial, particularmente en países pobres. A nivel
mundial la distribución y adquisición de alimentos ha sufrido varios cambios generando
hambre y afectaciones en la seguridad alimentaria Ochoa Geneva, 2020). En Bogotá
para 2020 se estimó que 91.000 habitantes dejaron de contar con un ingreso suficiente
para adquirir la canasta básica (Semana, 2020). El menor poder adquisitivo junto con
incrementos en los precios de los alimentos son producto de la desaceleración
económica mundial, poniendo los alimentos fuera del alcance de muchas personas en el
país (Malpass, 2021).

Actualmente, una parte de las hortalizas producidas en Bogotá y Cundinamarca
no cumple con criterios de inocuidad por la presencia de residuos pesticidas,
microorganismos patógenos y metales pesados debido a la calidad del agua empleada
(Secretaría de salud, 2020). La agricultura tradicional en Colombia ha dependido de altas
cantidades de mano de obra y técnicas tradicionales que resultan nocivas para el medio
ambiente, y se caracteriza por un limitado acceso a tecnología, causando que el
rendimiento sea bajo (Perfetti et al., 2020).

En comparación a la agricultura tradicional, la agricultura moderna se destaca por
la incursión de nuevas tecnologías, sin embargo, se pueden presentar inconvenientes a
la hora de realizar procesos como el monitoreo, ya que la comunicación y recepción de
datos pueden estar sujetas a daños o interferencias de la señal y obstáculos que pueden
deteriorar la misma (Gomez Chabla, 2018). Además, la falta de tecnología de fenotipado
genera problemas dando como resultado desajustes en los datos genómicos y fenómicos
de las plantas, sin permitir un análisis detallado de características como longitudes y
dimensiones de las plantas y sus hojas (Cepal, 2021).

Con visión en el planteamiento de proyectos en cuanto a la sostenibilidad
alimentaria, la Universidad El Bosque cuenta con el Laboratorio de Experimentación
Agrotécnica y de Energías Renovables (LEATYER) ubicado en la Sede Chía, donde se
han desarrollado diversos proyectos relacionados con agricultura sostenible,
tecnificación de esta misma y energías renovables. Uno de los proyectos establecidos
corresponde a un sistema de producción hidropónico automatizado (SPHA) desarrollado
en el proyecto “Fase de diseño y construcción de un cultivo hidropónico para el desarrollo
del LEATYER”, que se caracterizó por permitir producir lechugas de 3 variedades:
Batavia, Romana y Escarola, y contar con un monitoreo de variables ambientales.

El SPHA se encontraba en un estado de deterioro, dado por diferentes factores.
En primer lugar, por un desuso del sistema, puesto que no fue sencillo para los usuarios
ponerlo en marcha, en segundo lugar, por un deterioro de la estructura construida dado
por el periodo de cuarentena del año 2020, en el que no se realizó mantenimiento de la
cobertura plástica del domo y con ello también se afectó la estructura en madera que no
está preparada para responder a condiciones de intemperie (radiación y humedad). Este
deterioro del SPHA implicó una pérdida en los bienes de la Universidad. Además de los
requerimientos de mantenimiento, el sistema SPHA requirió de diferentes mejoras como
la conectividad inalámbrica para el monitoreo y control de las variables y los sistemas
automatizados. Así mismo, las especies cultivadas en el SPHA presentaban una alta
sensibilidad a las bajas temperaturas y heladas, las cuales son frecuentes en la sabana
de Bogotá afectando la calidad de los cultivos, generalmente durante los primeros meses
del año, con temperaturas que oscilan entre los 4°C y 0°C (IDEAM, 2021). Aunque con
el SPHA implementado realizó monitoreo remoto de variables ambientales, no fue
posible tener conocimiento del desarrollo y crecimiento de las plantas, ni se manejaba
un sistema de mitigación de heladas.

4. JUSTIFICACIÓN

Con la readecuación de la estructura del domo construido anteriormente en el proyecto
“Fase de diseño y construcción de un cultivo hidropónico para el desarrollo del
LEATYER”, la puesta en marcha del sistema de monitoreo de variables y la producción
de hortalizas, se busca ofrecer un espacio al programa de Bioingeniería y a la
Universidad El Bosque para estudios y proyectos con énfasis en el área focal de
sostenibilidad alimentaria del programa de Bioingeniería aplicando nuevas técnicas en la
agricultura como lo es la hidroponía.

Entre las características de la hidroponía se destacan que presenta alta
productividad y puede garantizar cosechas durante todo un año. Los cultivos
hidropónicos son una alternativa que permite producir hortalizas frescas y con alto valor
nutricional, generando también eficiencia y productividad de las plantas con
aprovechamiento de espacio. Así mismo, mejoran la calidad de los alimentos y
disminuyen los costos de la canasta básica de los mismos. Por otra parte, es un tipo de
cultivo que es menos dependiente y se caracteriza por el uso de la tecnología.

El monitoreo remoto y el uso de dispositivos que permiten la recolección de datos
son determinantes en la calidad de los cultivos, ya que permiten un análisis detallado y
preciso de los parámetros de éste, permitiendo que se le otorguen al cultivo las
condiciones necesarias y que la interacción con el usuario permita la toma de decisiones
de acuerdo con la información proporcionada por el sistema. La obtención de dichos
datos permite el monitoreo constante de variables tanto internas como externas, por
ejemplo, pH, humedad, electroconductividad, concentración de 𝐶𝑂2, flujo del agua,
temperatura y crecimiento de las plantas.

De acuerdo con lo mencionado anteriormente, los sistemas de mitigación de
heladas se implementan en los cultivos con el fin de adecuar el ambiente para su

desarrollo. En condiciones climáticas difíciles, cuando la temperatura en el cultivo
alcanza valores muy bajos, las plantas sufren de estrés al reducir el proceso de
fotosíntesis, por lo que no se desarrollan rápidamente. En el caso de las lechugas, al
padecer de temperaturas críticas o bajas, mueren las células de la epidermis y las hojasse vuelven marrones. Existen varios métodos para contrarrestar los efectos de las bajas
temperaturas y así evitar daños en las plantas y en general en el cultivo por la formación
de hielo extracelular. De igual forma, la tecnología de imágenes permite una descripción
rápida y precisa de parámetros fenotípicos, por lo tanto, se considera como una mejor
opción en el monitoreo de crecimiento de cultivos. Hoy en día, esta tecnología ha llevado
al fenotipado de cultivos a dimensiones 3D, logrando registrar las coordenadas
espaciales x, y, z y demostrando la eficiencia en la obtención de información precisa.

Con la finalidad de brindar soluciones a las problemáticas planteadas, es
necesario promover el estudio de nuevas técnicas agrícolas basadas en el uso de
herramientas de la ingeniería para aprovechar espacios, como el LEATYER, que
contribuyan a la realización de dichos estudios. Por tanto, se busca contribuir a las
dimensiones primordiales de la seguridad alimentaria mediante las fases de reingeniería
del cultivo hidropónico construido en la sede Chía de la Universidad El Bosque y la
actualización del sistema de monitoreo de este implementando nuevas tecnologías.

5. OBJETIVOS

5.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar la reingeniería del sistema automatizado de producción hidropónica
del laboratorio de Experimentación Agrotécnica y de Energías Renovables (LEATYER)
bajo los requerimientos establecidos por el programa.

5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Realizar el diseño asociado a la reingeniería del sistema de producción
automatizada hidropónica del laboratorio de Experimentación Agrotécnica y de
Energías Renovables (LEATYER).
- Implementar el diseño resultante de la reingeniería del sistema de producción
automatizada hidropónica del LEATYER.
- Evaluar el funcionamiento de los sistemas de monitoreo, control y producción del
sistema hidropónico a partir del ciclo fenológico de un cultivo de lechugas de tres
variedades, tanto en hidroponía como en cultivo convencional.

6. MARCO REFERENCIAL

6.1 MARCO CONCEPTUAL

Hidroponía

La hidroponía es una técnica de cultivo sin uso del suelo que surge a principios
de la década de 1930 y que se ha utilizado exitosamente para la producción de hortalizas.
La palabra hidroponía se deriva del prefijo griego hydro “agua” y el sufijo ponos “trabajo”.
Esto se traduce como trabajo en el agua y describe el crecimiento de las plantas con sus
raíces suspendidas en agua conteniendo nutrientes minerales (Beltrano & Giménez,
2020). La mayoría de los sistemas hidropónicos operan automáticamente para controlar
la cantidad de agua y nutrientes en función de los requerimientos de las plantas. Es una
técnica eficiente en cuanto al manejo de los recursos y la producción de alimentos. La
hidroponía es una estrategia tecnológica para fortalecer la seguridad alimentaria y
proponer productos sanos (Sharma, 2019).

La técnica de hidroponía al no usar el suelo ofrece más ventajas en comparación a
los cultivos tradicionales y entre ellas se destacan:

- No hay dependencia de las condiciones ambientales.
- Las plantas adquieren mayor calidad nutricional.
- Es posible sembrar en cualquier época del año.
- El ciclo de crecimiento es más corto respecto a cultivos tradicionales.
- Uso sostenible del agua.
- Es posible cultivar a escala y a nivel comercial (Albuja, 2021).

Sin embargo, también existen desventajas de la técnica hidropónica, entre ellas:

- Puede tener costos elevados en cuanto a instalaciones del sistema y materiales
requeridos.
- Es necesario un control y monitoreo debido a que las plantas son sensibles a los
cambios que se puedan presentar.
- Necesidad de conocimientos técnicos (Albuja, 2021).

Técnicas de hidroponía

Sistema de técnica de película de nutrientes (NFT):

La NFT consiste en crear una película recirculante de solución nutritiva dado que
el flujo de la solución es constante, además de que generalmente no requiere de sustrato.
La solución nutritiva es bombeada desde un depósito hacia bandejas de crecimiento o
tubos de PVC con plantas, donde entra en contacto con sus raíces antes de regresar al
depósito. Aunque este sistema hidropónico es uno de los más comunes, es muy sensible
a fallos en las bombas y en la energía eléctrica (Andrade Luque, 2022).

Ilustración 1. Representación del sistema NFT (Andrade Luque,2022)

Sistema en aguas profundas (DWC):

Sistema en el cual las raíces se sumergen en la solución nutritiva cuya
profundidad suele ser entre 15 y 30 cm, mientras que las coronas permanecen flotantes.
Se caracteriza por ser un sistema de bajo costo y que necesita menos mantenimiento en
comparación al sistema NFT ( Hemathilake, 2022). La ilustración 2 caracteriza dicho
sistema.

Ilustración 2. Representación de sistema hidropónico DWC (Andrade Luque, 2022).

Sistema aeropónico

Caracterizado por cultivar plantas u hortalizas sin el uso de ningún sustrato. Las
raíces de las plantas quedan suspendidas en el aire y necesitan ser rociadas
periódicamente. La eficiencia de este sistema es mayor en comparación a DWC y NFT,
sin embargo, es un sistema de alto costo y necesita de conocimiento técnico (Márquez
F, 2020). En la ilustración 3 se representa el sistema.

https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unbosque.edu.co/science/article/pii/B9780323910019000189#!
https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unbosque.edu.co/science/article/pii/B9780323910019000189#!

Ilustración 3. Representación del sistema aeropónico (Márquez F, 2020).

Sistema de cultivo de sustrato

Este tipo de sistema usa un sustrato sólido para el cultivo de las plantas. Dicho
sustrato se compone de diversos ingredientes para un mejor rendimiento del cultivo, es
decir, que las raíces entran en contacto directo con el sustrato que generalmente
contiene fibra de coco, arcilla, arroz, vermiculita, entre otros (Hemathilake, 2022).

Elementos nutritivos esenciales

Para un desarrollo adecuado de las plantas, estas requieren de nutrientes esenciales
que se definen como aquellos elementos que permiten que la planta complete su ciclo
de vida y estos se clasifican en micro y macronutrientes dependiendo de las necesidades
de la planta. En la Tabla 1 se nombran dichos nutrientes esenciales para el crecimiento
de las plantas (Sela, 2022).

https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unbosque.edu.co/science/article/pii/B9780323910019000189#!

Tabla 1. Descripción de los nutrientes principales para las plantas en cultivo
hidropónico.
Nutriente Roles en la planta Fuente de nutrientes
Carbono y Oxígeno Compuestos orgánicos
Dióxido de carbono (𝐶𝑂2) y
agua (𝐻2𝑂)
Nitrógeno
Componente de
aminoácidos y proteínas
Nitrato (𝑁𝑂3) y Amonio
(𝑁𝐻4)
Azufre Aminoácidos y proteínas Sulfato (𝑆𝑂4)
Potasio y Calcio
Activación enzimática,
estructura celular
Potasio (K) y Calcio (Ca)
Hierro Fotosíntesis, respiración Hierro (Fe)
Níquel
Fijación biológica de
nitrógeno y metabolismo
de nitrógeno
Níquel (Ni)
(Sela, 2022)

Características de la lechuga (Lactuca sativa)

- Nombre común: Lechuga
- Nombre Científico: Lactuca sativa
- Género: Lactuca
- Familia: Astereaceae
- Altura sobre el nivel del mar: 1.800-2.800 msnm
- Humedad relativa: 60-80%
- Tipo de suelo: franco-arenoso, franco-arcilloso

- Sensible al exceso de humedad.

La lechuga (Lactuca sativa) es una planta herbácea conocida y utilizada alrededor
del mundo ya que su consumo generalmente es en fresco y forma parte de la canasta
básica de los hogares. Se caracteriza por su alto valor nutritivo aportando calcio, hierro,
vitamina A, vitamina C, entreotros nutrientes. Sus cultivos no toleran la acidez, el pH
óptimo se encuentra en un rango entre 5,5 y 6,5; cultivada en suelo requiere de suelos
ricos en materia orgánica. La lechuga requiere de una temperatura específica entre los
15°C y 20°C, cuando sufre de temperaturas bajas las hojas adquieren una coloración
roja, mientras que el exceso de calor provoca un sabor amargo en las hojas (Carguachy,
2022).

Ciclo fenológico

Fase de plántula: se da la aparición de la radícula y la emergencia de los
cotiledones, seguidamente un crecimiento radicular en profundidad y luego la aparición
de 3 a 4 hojas verdaderas, esta fase comprende una duración entre 3 a 4 semanas.
(Andrade Luque, 2022).

Fase de roseta: se da la aparición de nuevas hojas y una disminución en la
relación largo-ancho de folíolos, se produce un acortamiento de los pecíolos y finalmente
la formación de una roseta con 12 a 14 hojas, la duración de esta fase varía de 3 a 4
semanas. (Andrade Luque, 2022).

Fase de formación de la cabeza: las hojas se vuelven más anchas que largas y
toman cierta curvatura por el eje de la nervadura central, con lo que las nuevas hojas
quedan envueltas por las formadas anteriormente, la duración de esta fase va de las 2 a
las 3 semanas de duración. (Andrade Luque, 2022).

Fase de floración: la cabeza pierde calidad, las hojas toman un sabor amargo, se
alargan y el tallo comienza a elongarse y posteriormente se da la emisión de las
inflorescencias. (Andrade Luque, 2022).

Variedades de lechuga

Lactuca sativa var, Longifolia o romana

Se caracteriza por sus hojas que son aovadas u oblongadas. No forman
verdaderos cogollos, tienen bordes enteros y nervio central ancho (Carguachy, 2022).

Escarola Cichorium endivia L

Es una hortaliza bienal, con raíz pivotante, con hojas de diversas formas que no
llegan a formar cogollo, aunque puede llegar a apretarse mucho en algunos casos y se
autobloquean, tomando un tono amarillento. Esta variedad de lechuga crece con cabeza
larga y posee hojas robustas alargadas y con robusto nervio central. Esta variedad de
lechuga es más tolerante a soportar altas temperaturas (Carguachy, 2022)

Batavia Lactuca sativa

Esta variedad se caracteriza por tener un cogollo de color amarillo la hojas un
poco rizadas y textura mantecosa, sus tallos son muy cortos y sus hojas verdes brillosas
sin espinas, siendo las inferiores enteras con peciolo corto. Tiene una enorme capacidad
de crecimiento, pero su crecimiento se evidencia más durante los 6 primeros meses del
año. Es propia de las regiones semi-templadas (Carguachy, 2022).

Monitoreo y control de variables

Sensores

Actualmente, los sensores son ampliamente utilizados en la agricultura y permiten
el monitoreo del cultivo para que el usuario pueda tomar decisiones sobre las condiciones
de este. La incursión de este tipo de tecnologías aporta un beneficio en los cultivos
contribuyendo a reducir los impactos negativos a causa de malas técnicas agrícolas y
permitiendo optimizar la gestión del cultivo en tiempo real, mediante la captura de
información de parámetros que tienen incidencia sobre la planta (Díaz, 2022).

El hardware para la monitorización de cultivos incluye la utilización de diferentes
sensores que son capaces de detectar pH, electroconductividad, temperatura, presión,
entre otras variables. Gracias a la inclusión de la tecnología en la agricultura, se consigue
cultivar más y mejor. Lo que anteriormente eran trabajos realizados por técnicos o los
mismos agricultores, hoy en día se realizan por medio de la utilización de sensores
apostando por la innovación. Los actuadores y sensores son comandados por uno o
varios microcontroladores que se encargan de la toma de datos de dichos sensores
(Díaz, 2022).

Algunos de los sensores que se utilizan para proyectos de monitoreo de variables
se describen a continuación:

- DHT22: Sensor para la medición de las variables de temperatura y
humedad basado en el sensor AM2302. Su voltaje de operación: 3.3 a
5.5V, rango de temperatura: -40°C a 80°C, rango de humedad: 0% a
99%, cantidad de pines: 3.
- MQ135: Sensor utilizado para la detección de concentración de gas. Su
señal de salida es de carácter analógico. Voltaje de operación: 5V,

detección de partes por millón: 10 ppm a 1000 ppm, corriente de operación:
150mA, cantidad de pines: 3.
- MLX90614: Sensor de temperatura infrarroja que permite medir la
temperatura de un objeto a distancia. Es un chip de silicio que integra un
circuito de filtrado de ruido, un conversor ADC y un procesador digital de
señales. Voltaje de operación: 3.3 a 5V, protocolo de comunicación: I2C,
resistencias Pull-up a Vin en placa, rango de temperatura de trabajo: -40°C
a 170°C, cantidad de pines: 4.
- Módulo de pH: Este módulo es un dispositivo que permite medir el pH
mediante el uso de una sonda que toma la lectura con un conector BCN.
Voltaje de alimentación: 5V, corriente: 10mA, rango de detección 0~14
(ácido/base), tiempo de respuesta: 5s, cantidad de pines: 3
- Módulo de electroconductividad: Sensor utilizado comúnmente en
hidroponía y sistemas de agua para monitorear la cantidad de nutrientes,
sales o impurezas del agua. Esta variable aumenta a medida que aumenta
la concentración de iones. Voltaje de operación: 5V, protocolo de
comunicación: pines tx y rx, cantidad de pines: 4.

Microcontroladores

Placa de Arduino Uno

Es una placa electrónica que se basa en el microprocesador Atmega328 de 8 bits,
combinando una memoria flash con capacidad de lectura y escritura.

Las características de la placa Arduino Uno se describen a continuación:
- 14 entradas/salidas digitales: pueden configurarse como entrada (leer, sensores)
o como salida (escribir, actuadores).
- 6 entradas analógicas: Leer sensores analógicos

- Puertos de comunicación: USB, serie, I2C y SPI
- Conexión USB
- Conector de alimentación
- Pulsador reset
- Tensión de funcionamiento: 5V DC
- Memoria flash: 32kB
- EEPROM: 1 kB: memoria para mantener datos después de un reset o apagado.
- SRAM: 2 kB: donde se crean y manipulan las variables cuando se ejecuta.
-
Ilustración 4. Descripción gráfica de la tarjeta Arduino Uno (Vital, 2021).

Microcontrolador NodeMCU ESP8266

ESP8266 es un microcontrolador diseñado por la compañía Espressif Systems y
se cataloga como una solución autónoma ante el uso de microcontroladores que ofrecen
conexión a redes Wifi. Tiene una arquitectura mediante la cual puede leer una instrucción
y a la vez realizar un acceso a la memoria de datos. Posee una API avanzada para tener
un control de entradas y salidas lo que contribuye a reducir el trabajo para la
configuración y la manipulación. Las especificaciones de funcionamiento se describen a
continuación: Voltaje: 3.3 V, memoria flash 16MB max, velocidad del procesador: 80-160

MHz, GPIOs: 17. En la siguiente figura se representa gráficamente la ubicación de los
pines en este microcontrolador (Espresiff Systems, 2022).

Ilustración 5. Representación gráfica del microcontrolador ESP8266 (Espresiff Systems,
2022)
Raspberry Pi 3

Se cataloga como un ordenador de tamaño reducido compuesto por CPU,
memoria RAM, puertos de entrada y salida y conectividad de red. Para grabar un sistema
operativo en este ordenador se debe interactuar con una pantalla, un teclado y un mouse
y así poder cargar el programa que corresponda. Requiere de fuente de alimentación por
medio de un puerto microUSB cuyo cargador debe ser de 5V y 2,5A. Todos los diseños
de Raspberry Pi se basan en el hardware libre, cuenta con una gran conectividad y de
conexiones GPIO que permiten desarrollar una gran variedad de proyectos. Cuenta con
un procesador de doble núcleo, SRAM en chip de 264 KB, controladoresSPI e I2C,
potencia de entrada admitida: 1.8 a 5.5V DC y reloj en chip preciso. A continuación, se
representan gráficamente estas características (González, 2018).

Ilustración 6. Representación gráfica del ordenador Raspberry Pi (González, 2018)
Cámara Raspberry Pi

Es un módulo con cámara diseñada para conexión con Raspberry Pi. Se conecta
mediante uno de los sockets del microprocesador y esta conexión usa la interfaz CSI
permitiendo la transmisión de datos. Tiene un enfoque fijo de 8mpx y es capaz de grabar
vídeo hasta en 1080p (González, 2018).

Ilustración 7. Módulo con cámara para Raspberry Pi (González, 2018).

Variables

pH: El pH es aquella medida que indica el nivel de acidez o basicidad. Las
limitaciones en el crecimiento de las plantas pueden estar dadas por un pH no adecuado,
ya sea muy alto, o muy bajo. El pH en un cultivo hidropónico de lechuga está en un rango
de 5.8-7.0, puesto que es una especie que no tolera la acidez. La disponibilidad de
nutrientes depende del pH, estos se encuentran más disponibles en un pH más bajo, sin
embargo, cuando esta medida cae por debajo de 5.5 se corre el riesgo de perder
disponibilidad de estos nutrientes. En un sistema hidropónico esta medida tiende a
fluctuar ya que las raíces pueden afectar el pH de la solución nutritiva. Cuando la medida
de pH de la solución nutritiva se encuentra fuera del rango anteriormente mencionado es
necesario realizar un ajuste utilizando mezclas ya sea para acidificar o aumentar la
basicidad. Así mismo se debe tener en cuenta que esta medida también depende de que
la solución nutritiva se encuentre en un espacio cerrado o abierto, del proceso de
absorción de nutrientes. El pH se debe controlar con el objetivo de realizar una
neutralización de los bicarbonatos presentes en el agua de riego, ya que los mismos
producen un nivel elevado de pH y los pH extremos afectan de forma directa a las raíces
(Santistevan, 2022)

Conductividad eléctrica: Esta variable en una solución nutritiva se relaciona
directamente con la disponibilidad de materiales sólidos disueltos en ella y depende del
sistema y del estado de crecimiento, en el caso de un cultivo de lechugas tiene un rango
bajo para su desarrollo que oscila entre 1.0 y 3.0 mS/cm. Este parámetro es aquel que
permite determinar la cantidad de sales disueltas en el agua y evalúa la capacidad que
tiene el agua para la conducción de la corriente eléctrica, permitiendo saber si la solución
cuenta con la cantidad de nutrientes necesarios y si el sistema los asimila. En este caso
al ser un sistema hidropónico cerrado, los nutrientes que no se absorben se acumulan
en la solución con tendencia a variar mínimamente el valor de la conductividad eléctrica
(Santistevan, 2022).

Temperatura: Esta variable es de las más importantes en un cultivo, ya que si no
se encuentra en un rango ideal se verá afectado el crecimiento de la planta y podrá
manifestar deficiencia de nutrientes. La temperatura de las raíces de las plantas no debe
bajar de 12°C ni superar los 30°C. La temperatura óptima para un cultivo de lechugas es
cerca a los 22°C, a medida que disminuye también lo hace la absorción y asimilación de
nutrientes. Esta variable tiene influencia en la capacidad de absorción de nutrientes y de
agua. Valores extremos de temperatura provocan un bajo nivel de crecimiento en las
raíces (Santistevan, 2022).

Humedad: Es la denominación que se utiliza en meteorología para designar la
medida o cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera en un volumen de aire
determinado. Su valor depende esencialmente de la temperatura del aire. (Sanabra, M,
Llevadot, J,Gavilán, J. 2019).

- Humedad absoluta: Cantidad de vapor de agua que contiene el aire por unidad de
volumen, expresada en gramos por metros cúbicos g/𝑚3.(Sanabra, M, Llevadot,
J,Gavilán, J. 2019).

- Humedad absoluta: Capacidad relativa de asumir vapor de agua por parte de un
volumen de aire. Se mide en porcentajes (%). Por ejemplo, si la humedad relativa
es del 75%, a la capacidad total de absorber vapor de agua le falta una cuarta
parte para saturarla. (Sanabra, M, Llevadot, J,Gavilán, J. 2019).

Para un cultivo, la variable que se determina generalmente es la humedad relativa,
cuanto más alta es la temperatura del aire, más humedad puede contener, esto significa
que a medida que aumenta la temperatura, la humedad relativa disminuirá, existe la
posibilidad de que el contenido de humedad real no cambie (Texier, W. 2013).

Tanto para un cultivo en el suelo como para un cultivo hidropónico, los parámetros de
humedad son muy parecidos, para lechugas se recomienda tener una humedad relativa
entre 60 y 80 por ciento (Texier, W. 2013).

Procesamiento de imágenes para evaluar el crecimiento de las plantas
Mediante la integración de dispositivos se ha avanzado en una nueva tecnología
que consiste en la determinación de datos fenotípicos tales como altura de la planta,
ancho, longitud y área de las hojas, ángulos de inclinación, entre otros parámetros para
el análisis. Las aplicaciones de la tecnología de imágenes en la agricultura tuvieron un
inicio en el año 1980 y donde se utilizaban principalmente imágenes RGB. Dicha
tecnología permite una descripción rápida y precisa de parámetros fenotípicos, por lo
tanto, se considera como una mejor opción en el monitoreo de crecimiento de cultivos,
garantizando eficiencia en la obtención de información (Guo; Wu; Pang, 2018).

La dimensionalidad y la resolución de las imágenes son parámetros claves para
el análisis y la extracción de parámetros fenotípicos de las plantas. Diferentes
plataformas permiten generar un análisis cuantitativo de las características de las
plantas, además, la integración de métodos hace posible adquirir diversos datos, como
por ejemplo el uso de las imágenes RGB que pueden extraer parámetros para un
monitoreo eficaz durante el ciclo de vida de una planta (Guo; Wu; Pang, 2018).

Para poder tomas decisiones adecuadas y que sea posible conocer el estado
actual En sistemas hidropónicos cerrados, evaluar el crecimiento de las plantas
proporciona información de importancia para la producción y el manejo de este tipo de
sistemas. La estimación de medidas asociadas al crecimiento mediante el procesamiento
de imágenes es una de las técnicas que ofrece mayores ventajas para medir el estado
de crecimiento de las plantas, ya que se basa en la detección en tiempo real sin causar
efectos negativos en el cultivo.

Según estudios realizados, se ha determinado que los diferentes métodos de
procesamiento de imágenes son efectivos para la evaluación de estado nutricional e
índices de crecimiento. El conjunto de métodos de procesamiento de imágenes se divide
en tres categorías:
- Algoritmos en el dominio del espacio
- Algoritmos en el dominio de la frecuencia
- Algoritmos de extracción de características (Cedillo, 2020)

Problemas originados en diferentes campos como la industria y la agricultura, se han
resuelto mediante la integración técnicas de procesamiento de imágenes y detección de
patrones. Varios autores identifican 5 pasos importantes para el procesamiento de
imágenes:

- Adquisición de la imagen: Las imágenes de la planta se capturan por medio
de la cámara para su procesamiento y almacenamiento.
- Pre-procesamiento de imagen: mejoramiento de contraste, reducción de
ruido y realce de características.
- Segmentación de imagen: División de la imagen en varias partes de las
mismas características, usando varios métodos.
- Extracción de características: Identificación de un objeto identificando
color, bordes, morfología entre otros.

El procesamiento de imágenes se cataloga como un área de la ingeniería que permite
extraer informaciónsignificativa, teniendo como parámetro de entrada a una imagen y
como salida un resultado comúnmente numérico (Cedillo, 2020).

Métodos de mitigación de heladas

La denominada temperatura crítica (congelación) causa gran afectación en los
cultivos debido a la formación de hielo dentro del tejido de las plantas. El daño directo
ocurre con la formación de hielo dentro del protoplasma de las células causando una
ruptura de la estructura protoplásmica. Existe una etapa de enfriamiento antes de la
congelación total. Las lechugas se encuentran entre las variedades de hortalizas más
susceptibles al daño por heladas, las especies difieren en cuanto a la resistencia a las
condiciones climáticas. En el caso de la lechuga, las células muertas de la epidermis se
tornan de color marrón aumentando la susceptibilidad al marchitamiento y daño físico
(Lopez,2022).

Los métodos de mitigación de heladas incluyen métodos pasivos y métodos
activos. La protección pasiva incluye métodos que pueden evitar la protección activa,
entre dichos métodos se destacan: selección de plantas, poda adecuada, riego y fecha
de siembra. Entre los métodos activos se destacan las cortinas de humo, el uso de
aspersores y el calentamiento del aire. Por otra parte, los métodos de protección pasiva
incluyen elección de plantas resistentes a ciertas condiciones de temperatura, selección
de terrenos para las diferentes especies y sembrar en épocas determinadas del año.
Prever la temperatura mínima y determinar cómo puede cambiar la temperatura durante
la noche es de importancia para la protección contra heladas ya que ayuda al usuario a
decidir si se necesitan de otros métodos de protección y cómo poner en marcha los
sistemas (Lopez, 2022).

6.2 MARCO GEOGRÁFICO

El laboratorio de experimentación agrotécnica y de energías renovables
(LEATYER) de la Universidad el Bosque queda ubicado en el municipio de Chía en
Cundinamarca Colombia, en el borde urbano de Bogotá. Su altitud es entre los 2.600
msnm y 3.200 msnm. Se ubica en las siguientes coordenadas: Lat: 4.8439 Lon: -74.0322.

Limita al norte con Cajicá, al oriente con Sopó, al sur con Bogotá D.C y por el occidente
con Tabio y Tenjo (Varela, 2021).

Ilustración 8. Coordenadas del LEATYER. Imagen tomada de Google Earth. B

Temperatura:

En Chía, los veranos son cómodos; los inviernos son cortos, frescos y mojados y está
nublado durante todo el año. Durante el transcurso del año, la temperatura generalmente
varía de 7 °C a 19 °C y rara vez baja a menos de 3 °C o sube a más de 21 °C
(WeatherSpark, 2022).

- La temporada templada dura 3,1 meses, del 21 de diciembre al 25 de marzo, y la
temperatura máxima promedio diaria es de 19 °C. El mes más cálido del año en
Chía es mayo, con una temperatura máxima promedio de 18 °C y mínima de 10
°C (WeatherSpark, 2022).

- La temporada fresca dura 2,3 meses, del 21 de junio al 30 de agosto, y la
temperatura máxima promedio diaria es de 18 °C. El mes más frío del año en Chía
es enero, con una temperatura mínima promedio de 7 °C y máxima de 19 °C
(WeatherSpark, 2022).

Ilustración 9. Temperatura promedio por hora en Chía (WeatherSpark, 2022).

Dónde: Fría: 7°C, Fresca: 13°C, Cómoda: 18°C (WeatherSpark, 2022).

Ilustración 10. Temperatura promedio por mes en Chía (Weather Atlas, 2022).

Humedad:

Ilustración 11. Promedio mensual de humedad relativa en Chía (Weather Atlas, 2022).

El mes con la humedad relativa más alta es Noviembre (89%). Los meses con la
humedad relativa más baja son Agosto y Septiembre (80%) (Weather Atlas, 2022).

6.3 MARCO NORMATIVO

- Ley 101 de 1993: Por la que se asigna al Ministerio de Agricultura desarrollar
planes y políticas respecto a la producción agropecuaria para minimizar los
riesgos alimentarios y ambientales.

- Ley 812 de 2003: Por la que se crearán, apoyarán e impulsarán proyectos que
requieran el desarrollo de cultivos hidropónicos como garantía de seguridad
alimentaria, en el área urbana y rural.

- Ley 115 de 1994: Adquisición de conciencia para la conservación y protección del
medio ambiente, de los recursos naturales y de la calidad de vida.

- Decreto 1743 de 1994 de la legislación de educación nacional: En el capítulo I, se
estipula que los Proyectos Ambientales Escolares (PRAES), de acuerdo con los
lineamientos curriculares y atendiendo la Política Nacional de Educación
Ambiental, deben estar inmersos en la formación de los estudiantes de todos los
establecimientos de educación formal del país, tanto oficiales como privados, en
sus distintos niveles, es decir, deben estar presentes en la formación preescolar,
básica y media.

- Decreto 3075 de 1997: Artículo 41, se establece los productos alimenticios que no
requieren del registro sanitario, tales como los productos naturales no sometidos
a transformación como frutas, granos, hortalizas, verduras, apícolas.

- La Norma Técnica Colombiana NTC- 5400: “Buenas prácticas agrícolas para
frutas, hierbas aromáticas culinarias y hortalizas frescas” que define requisitos y
procedimientos, que sirven de orientación a los pequeños, medianos y grandes
productores de estos cultivos; con ello se espera mejorar las condiciones de la

producción agrícola con un enfoque preventivo que incluye la búsqueda de la
inocuidad, la competitividad, la seguridad de los trabajadores y el desarrollo
sostenible.

7. ESTADO DEL ARTE

La hidroponía es una técnica antigua usada por varias culturas. En la década de
los 30 se define hidroponía como se entiende hoy en día por el profesor William Frederick
quien justifica el nombre de la palabra derivada del griego Hydro (agua) y Ponos (cultivo).
A partir de la segunda guerra mundial fue cuando esta técnica de cultivo tuvo éxito para
alimentar a las tropas de Estados Unidos debido a la escasez de suelos fértiles y las
ventajas que les ofrecía esta técnica (Ríos,2019).

En un estudio realizado se analizó la factibilidad de un modelo de granja de
cultivos hidropónicos en Quetzaltenango, Guatemala y en el cual los datos obtenidos le
brindaron una base correcta al estudio introduciendo un nuevo producto en un mercado
de un departamento sobrepoblado y brindando solución a problemas sociales mediante
disponibilidad de alimentos y un óptimo uso de recursos (González, 2021).

En el proyecto titulado “Sistema automatizado de monitorización y control para
cultivos hidropónicos” se propuso un prototipo de cultivo con técnica NFT y que fue
automatizado para recolectar información para el análisis de la viabilidad del mismo.
Como conclusiones se indica que el uso de sensores permite un control y manejo
eficiente del cultivo proporcionando todos los nutrientes necesarios y que además el uso
de tecnologías IoT mejoran la eficiencia del cultivo obteniendo datos en tiempo real
(Serrano; Aquino; Macedo, 2021).

Santistevan (2022) indica que los sistemas de procesamiento de imágenes y
visión artificial son técnicas ventajosas para la determinación del estado de crecimiento
de los cultivos, utilizando la detección en tiempo real y no afectando al cultivo. Además,
los métodos de comparación de variables morfológicas respecto al conteo de píxeles de
las imágenes son técnicas que indican precisión.

Cabrera (2019) indica que el uso de diferentes técnicas de procesamiento de
imágenes permite la adquisición de datos determinantes acerca del estado del cultivo,
ya que el muestreo convencional presenta limitaciones y sesgos entre los evaluadores,
además se menciona como se logró un sistema autónomo mediante el uso de Raspberry
Pi.
La mayoría de los estudios realizadossobre técnicas agrícolas concluyen que los
cultivos sin el uso del suelo generan una gran oportunidad para el sector productivo
dadas las condiciones actuales a nivel mundial de degradación del suelo y limitación con
el recurso hídrico. La hidroponía representa una herramienta para una agricultura
amigable pero también se le puede catalogar como un desafío en términos de seguridad
alimentaria. Los objetivos de desarrollo sostenible enmarcan este tema como una de las
metas centrales dado el aumento de la población mundial y las necesidades a satisfacer.

8. METODOLOGÍA

Para la puesta en marcha de lo planteado en los objetivos del proyecto se llevaron
a cabo varios procesos. En este apartado se describen detalladamente cada uno de ellos
y se evidencian los diagramas de flujo y bloques realizados para describir las
metodologías.

Inicialmente se realizó una caracterización del estado de la estructura mediante la
cual fue posible establecer las mejoras para la instalación del cultivo hidropónico.
Mediante esta caracterización y los objetivos planeados a largo plazo en el LEATYER
fue posible el levantamiento de requerimientos. Dichos requerimientos se plantearon
teniendo en cuenta el concepto de sostenibilidad alimentaria y las actividades
académicas que se tienen planeadas para el laboratorio, puesto que implica que los
sistemas que se implementen cumplan con ciertas características basadas en el
desarrollo de proyectos relacionados con la hidroponía.

8.1 LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS

a. FUNCIONALES
La tabla 2 describe los requerimientos funcionales del sistema biológico. Dichos
requerimientos se basan en las condiciones requeridas con las que deben contar las
plantas para que lleven a cabo su desarrollo y crecimiento.

Tabla 2. Requerimientos funcionales para posibles componentes biológicos del sistema
de producción hidropónico automatizado. Datos aportados por unidad de crecimiento.

Condición Rango Unidades/ Descripción
pH del agua pH neutro +/- 2 Adimensional
Temperatura de agua Temperatura
ambiente de la
zona según
condiciones
climáticas
°C
Cantidad de agua 50 +/- 20 mL/día por planta
Este valor fue
calculado para
este sistema en
específico.
Humedad relativa del
aire
Según condiciones del
clima
%
Conductividad
eléctrica del agua
1-3 mS/cm
Aporte de nutrientes
al agua
Según la especie
cultivada
g/L

(Elaboración propia, 2021)

b. CALIDAD

- Debe contar con un sistema de mitigación de heladas para el SPHA, que se active
al presentarse temperaturas inferiores a los 6°C dentro del domo y deberá subir
al menos 3°C la temperatura del aire del sistema interno.
- Deberá contar con un sistema de monitoreo de crecimiento para el SPHA, el
cual registrará visualmente por medio de imágenes el desarrollo y crecimiento
de las plantas durante su ciclo de producción.
- Las imágenes obtenidas deberán tener una resolución estándar de imagen de
al menos HD1080, para asegurar una calidad suficiente para su procesamiento
y la obtención de una imagen nítida para el monitoreo de crecimiento.
- La plataforma de consolidación de datos del SPHA, deberá proporcionar de
forma remota y en tiempo real la información capturada de las variables
anteriormente tratadas en el desarrollo inicial y los nuevos establecidos para
este rediseño.
- El sistema de monitoreo y control remoto deberá contar con una interfaz de
usuario especialmente diseñada para las variables tratadas, su relación y su
supervisión, así como con un sistema de alarmas para proteger los procesos
productivos.
- El sistema de monitoreo deberá tener redundancia en la verificación de cada
uno de sus actuadores de salida del sistema.
-
c. TÉCNICOS
La tabla 3 describe los requerimientos técnicos del sistema hidropónico. Dichos
requerimientos se basan en las características de operación de todos los elementos o
materiales que se necesitan para el funcionamiento del sistema.

Tabla 3. Requerimientos técnicos asociados a las variables de monitoreo.
Variable Rango mínimo Unidad
Temperatura del aire
externa al domo
-5 - 30 °C
Temperatura del aire
interna al domo
0 - 40 °C
Temperatura del agua en el
sistema
0-30 °C
Humedad relativa externa al
domo
0-100 %
Humedad relativa interna al
domo
0-100 %
pH del agua 0-14 Adimensional
Electroconductividad 1-3 mS/cm
Nivel de agua en reservorio
Por desborde de
max y min.
Adimensional
(Elaboración propia, 2021)

La tabla 4 describe los requerimientos técnicos que están asociados al control
y automatización, basados en variables determinadas y sus condiciones.

Tabla 4. Requerimientos técnicos asociados al control y automatización.
Variable Condición
Bombeo
Activación y desactivación por
programa.
Bombeo
Activación y desactivación por
comando manual
Bombeo
Estado de activación o desactivación
redundante
Nivel de agua en el reservorio
Medir nivel máximo y mínimo del
llenado del tanque
Nivel de agua en el reservorio
Activación y desactivación de válvula
de llenado por programa
Nivel de agua en el reservorio
Activación y desactivación de válvula
de llenado por manual
Nivel de agua en el reservorio
Estado de activación y desactivación
de válvula de llenado de tanque
redundante

Sistema contra heladas
Activación y desactivación del
sistema por programa
Activación y desactivación del
sistema por comando manual
Estado de activación y desactivación
del sistema.
Sistema imagenológico Toma de imágenes por programa
(Elaboración propia, 2021)
d. DEL USUARIO
- El SPHA, deberá contar con un manual de mantenimiento y uno de operación, que
incluye las descripciones del sistema y protocolos de funcionamiento.
- Los materiales utilizados deberán contemplar además de su costo, la durabilidad y
calidad teniendo en cuenta que se encuentran expuestos a condiciones
ambientales como radiación constante, humedad y manipulación constante.

8.2 DISEÑO DETALLADO
De acuerdo con los requerimientos expuestos anteriormente, se realizaron
distintas propuestas que buscaron dar solución a la problemática, por lo cual se generaron
matrices de decisión, diseños de los sistemas y se evaluó el comportamiento del sistema
circuital, identificando el cumplimiento de dichos requerimientos, y a su vez que
presentara funcionalidad para el usuario. A continuación, se muestra el diseño de caja
negra que muestra cada una de las entradas y salidas a la solución presentada.
8.2.1 Diseño de caja negra
Entradas al sistema:

1. Plántula: Ingresa al sistema como la planta en sus primeras etapas de desarrollo.
2. Energía solar: Ingresa al sistema cómo energía electromagnética, ya sea de forma
directa o reflejada por las superficies del lugar.
3. Energía eléctrica
4. Sustrato: Producto sólido que permite el desarrollo del sistema radicular de la
planta.
5. Agua: Ingresa al sistema a través del sistema de riego.
6. Nutrientes: Ingresan al sistema mediante fertilizantes orgánicos o solución nutritiva
hidropónica.
Salidas del sistema:
1. Planta: Producto del cultivo apto para consumo.
2. Agua: Excedente drenado a través del sustrato.
3. Oxígeno y dióxido de carbono: Producto de la respiración por parte de las plantas.
4. Datos otorgados por los sensores respecto a la medición de variables
5. Transmisión de datos a la plataforma IoT
6. Temperatura: Emitida cómo energía térmica a través de las hojas para mantener
el balance hídrico.

Ilustración 12. Diseño de caja negra (Elaboración propia, 2022)

La caja negra es utilizada para la representación de los sistemas sin conocerqué
elementos componen el proceso, pero al saber a qué entradas corresponden
determinadas salidas es posible inducir el funcionamiento de las variables (Ramírez,
2020).
En la ilustración 12 correspondiente al diseño de caja negra se muestran de forma
global las entradas que requiere el sistema para llevar a cabo la solución evidenciada
mediante la entrega del producto final y cuyo funcionamiento e instrucciones internas se
describen en los diagramas siguientes.

8.2.2 Diagrama de caja gris
Para el diseño de la caja gris se tuvo en cuenta cada uno de los procesos a ejecutar
y los componentes necesarios para el desarrollo y ejecución, mediante la implementación
de cada uno de los sistemas que se emplearon en la solución descrita anteriormente para

la obtención de las salidas correspondientes.

Ilustración 13. Diseño de caja gris (Elaboración propia, 2022)
8.2.3 Diseño de caja blanca

Para la realización del diseño de caja blanca se realizaron matrices de decisión con el fin
de seleccionar cada uno de los componentes a emplear y que se describen a lo largo de
la metodología.

Ilustración 14. Diagrama de caja blanca correspondiente al funcionamiento de los
sistemas implementados (Elaboración propia, 2022)
Readecuación de la estructura del domo

Con base al diagnóstico inicial, se restauró la estructura del domo. En este proceso se
realizó reemplazo de la madera deteriorada por madera plástica, que es un material
resistente a la humedad, por lo tanto, su duración es más prolongada que el pino que es
el material con el que inicialmente estaba construido el domo. La madera plástica se
empleó también para las bases del domo. Para la parte superior se cambiaron los listones
de madera por listones de pino con medidas 1.10 m x 10 cm, los cuales se inmunizaron.
También se reemplazó el plástico de cobertura que estaba deteriorado por Agrolene uv,
que se ancló a la estructura por medio de grapas, las uniones del plástico se sellaron con
cinta adhesiva fabricada con polietileno de baja densidad con filtro UV de color
transparente de 5¨, además se reemplazaron las ventanas. Para dicha restauración se
realizó el cambio del sistema de apertura de las ventanas, que consta de un cilindro que

funciona mediante energía solar y realiza la apertura cuando la temperatura interna
alcanza un valor de 17°C, manteniendo la temperatura de crecimiento y evitando que el
sistema se sobrecaliente.
En las siguientes ilustraciones se evidencia el estado en el que se encontró la
infraestructura del domo. El plástico que recubría la estructura estaba desgastado, con
goteras y las ventanas se encontraban en mal estado (ilustración 15), la madera de la
estructura estaba deteriorada por la acumulación de agua y la presencia de insectos del
sitio (ilustración 16). Igualmente, la madera de la base del domo se encontraba rota
debido a la humedad (ilustración 17), el sistema eléctrico del domo estaba averiado,
además la fuente hídrica del sistema estaba con fugas (ilustración 18) y las ventanas no
contaban con los sensores de temperatura. Al lado de cada ilustración se muestra el
proceso de restauración realizado comparando el estado en el que se encontró la
estructura y el resultado de dicha restauración.

Ilustración 15. Estado inicial del plástico de cobertura, de ventanas y proceso de
restauración. (Elaboración propia)

Ilustración 16. Madera deteriorada y reemplazo por madera plástica. (Elaboración
propia)

Ilustración 17. Estado inicial de la madera, restauración e inmunización. (Elaboración
propia)

Ilustración 18. Deterioro del sistema y proceso de restauración. (Elaboración propia)

En la tabla a continuación se describen los factores tenidos en cuenta para la selección
de la madera utilizada y el polímero de cobertura.
En cuanto al sostén de la estructura se escogió el material madera plástica. Este se
escogió teniendo en cuenta 3 factores descritos en la tabla 5 y en comparación a dos
materiales más. Esta se decisión se tomó asignando a cada factor un puntaje entre 1 y
5 respecto a lo encontrado en bibliografía.

Tabla 5. Matriz de decisión para el material de la estructura.
Material Peso Resistencia a
la humedad
Precio Total
Pino 2 1 2 1,6
Drywall 2 2 4 2,6
Madera
plástica
4 5 5 4,6

En cuanto al polímero de cobertura se escogió Agrolene Calibre 6 teniendo en cuenta la
norma ASTM D882 que es un método de caracterización de materiales de la industria,
como se indica en la siguiente tabla:

Tabla 6. Matriz de decisión para el polímero de cobertura
Descripción Agrolene Calibre 6
Propiedades mecánicas Resistencia a la rotura y al rasgado
Propiedades ópticas Transmisión de luz, bloqueo UV,
termicidad.

Técnica híbrida de hidroponía
El sistema hidropónico implementado se caracteriza por ser un sistema híbrido con
la combinación de las técnicas de hidroponía NFT y Deep Water culture (DWC),
permitiendo oxigenación a las plantas y un recorrido de agua dentro del sistema al contar
con un caudal y caídas de nivel.
Solución nutritiva hidropónica
Mediante el uso de la solución nutritiva hidropónica se aportaron micro y
macronutrientes al sistema, tales como fósforo, potasio, calcio, zinc, hierro y magnesio.
Son asimilados en forma de iones y constituyen los aminoácidos, enzimas y proteínas,
siendo fundamentales para el crecimiento y desarrollo de las plantas. La ilustración 16
muestra la solución nutritiva hidropónica empleada en el sistema. Contiene sobre A y
sobre B que se debieron preparar por separado disolviendo cada sobre en 4 litros de
agua.

Ilustración 19. Solución nutritiva hidropónica usada en el sistema. (Elaboración propia)

Sustrato del cultivo hidropónico: Arlita
Se empleó el sustrato LIVITEK que es una arcilla expandida aligerante y aislante. Está
naturalmente exento de materia orgánica, es inerte y de pH neutro. Se caracteriza por
permitir aireación a las raíces y retención de agua, lo que reduce el uso de energía.

Ilustración 20. Sustrato empleado-Arlita (Laterlite, ficha técnica)

Sistema eléctrico
Este sistema se implementó mediante una caja eléctrica que contiene un
convertidor buck que permite la salida de 12-24 V DC que alimentan los 3 sistemas, y
teniendo en cuenta las corrientes que disipan cada uno de los sensores se eligió calibre
14 para el cableado. Los sistemas eléctricos se ubicaron en la parte central de la
estructura, esto con el fin de centralizar todas las conexiones de los circuitos y minimizar
el uso de cables, los cables se cubrieron con canaletas sujetas a la estructura superior
del domo. En el proyecto anterior el cableado estaba por el suelo cubierto con canaletas
teniendo en cuenta que el circuito de dicho proyecto estaba dividido en dos secciones,
una cerca a los tanques de agua y otra en el centro de la estructura. Sin embargo, dichas
conexiones estaban expuestas a daños por el paso de los usuarios. A continuación, se
muestra la implementación del sistema eléctrico actual.

Ilustración 21. Implementación del sistema eléctrico actual (Elaboración propia)

Para asegurar las conexiones del circuito eléctrico, se utilizó una baquela universal
y borneras. Al microcontrolador Arduino se le adecuó un shield V2 screw, a la placa de
desarrollo Nodemcu se le adaptó un shield con una baquela universal y borneras y todo
el sistema circuital se introdujo dentro de una caja de protección eléctrica impermeable.
A continuación, se muestra el esquema del circuito eléctrico para el sistema de
monitoreo.

Ilustración 22. Diseño del circuito implementado para el sistema de monitoreo
(Elaboración propia, 2022).Con base al proyecto anterior los sensores MQ-135 de 𝐶𝑂2 y MLX90614 de
temperatura infrarroja (temperatura del agua) se implementaron de igual forma en el
actual, con las respectivas cajas de protección que se tenían. A continuación, se
describen los sensores que se rediseñaron.

pH y Electroconductividad

Respecto al diseño del anterior proyecto (ilustración 23), en este se planteó que los datos
de pH y EC se registraran directamente en el agua que ingresa al sistema, es decir, cerca
al tanque de agua, sin embargo, se generaba interferencia en la toma de datos con dicha
implementación.
Para el proyecto actual la medición de pH se registró con el sensor V1.1
conectando los pines A0, VCC de 5V y GND a placa de Arduino Uno. Para la recopilación
de datos fue necesario diseñar un porta sondas en la aplicación Fusion 360 de tal modo
que las sondas quedaran ubicadas cerca de la caja eléctrica y evitar la interferencia en la
toma de datos.
El diseño y la implementación actual se muestran en la ilustración 24.

Ilustración 23. Portasondas diseñado para el proyecto anterior (Roa & Zea, 2017).

Ilustración 24. Diseño e implementación de portasondas del proyecto actual
(Elaboración propia)

La sonda de pH se calibró para asegurar que se obtuvieran los datos de forma
correcta. Este proceso se realizó usando agua desmineralizada y las soluciones de
calibración de pH: ftalato de hidrógeno de potasio, fosfato mixto y bórax.

Ilustración 25. Materiales utilizados para calibración de la sonda de pH (Elaboración
propia)
Temperatura y humedad
En el proyecto anterior emplearon dos sensores BME280 para la toma de las
variables de temperatura, humedad y presión atmosférica. Con la actualización de
librerías, la conexión de estos sensores al mismo tiempo se tornó compleja generando
una interferencia con la dirección IP, lo que hacía que los sensores no respondieran y no
se registraran datos como se muestra en la ilustración 26.

Ilustración 26. Interferencia en la comunicación con los sensores BME280.

Por ello, fue necesario elegir otro sensor (Tabla 5) que no generara dichas
interferencias. Como solución se eligió el sensor DHT22 tanto para medir temperatura y
humedad interna y externa del domo. Es un sensor digital de temperatura y humedad de
bajo costo, que integra un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire
circundante y muestra los datos mediante una señal digital (). Dichos sensores se
conectaron al pin VCC de 3V, GND y el pin de datos (D0, D4) de la placa de desarrollo
ESP8266. Los sensores se ubicaron en la estructura central del domo y en la parte
externa.
Tabla 7. Matriz de decisión sobre sensor DHT.
Características técnicas DHT11 DHT22
Rango de medición Humedad 20-90%
Temperatura -30-90°C
Humedad 0-100%
Temperatura -40 – 110°C
Exactitud Humedad ± 4%,
Temperatura ± 2°C
Humedad ± 4%,
Temperatura ± 0.2 °C
Rango de sensibilidad ± 1 ± 0.1
Fuente de alimentación 3.3 V – 5 V 3.3 V – 6 V

Sistema de bombeo y sensor de nivel del agua
Implementación del sistema de bombeo
Para la implementación de este sistema se tuvo en cuenta que cada una de las
conexiones se ajustaran de tal modo que a futuro tuviera facilidad de desmontar, en caso
tal que hubiera inconvenientes. Para dicha implementación se utilizaron los siguientes
materiales:
- Niple ½ Roscado presión

- Adaptador macho ½ Presión
- Codo 90 x ½ Roscado x Soldado presión
- Unión universal ½ pulgada presión lisa
La unión de cada una de las partes se realizó con soldadura para PVC que es una
solución adherente derivada del petróleo para unir piezas de alto impacto. Esta
implementación se muestra en la ilustración 27.

Ilustración 27. Implementación del sistema de bombeo (Elaboración propia)

Funcionamiento del sistema de bombeo

El funcionamiento del sistema de bombeo de agua se realiza mediante una bomba
y válvula solenoide. Dicho sistema inicia validando el estado del sensor de nivel. Este
sensor funciona de acuerdo con el nivel de agua en el tanque de reservorio donde inicia
el proceso de bombeo de agua y funciona con dos flotadores indicadores del nivel de
agua, si el nivel en el tanque es bajo se envía una alarma al sistema indicando que se
debe apagar la bomba debido a que al no haber agua en el reservorio se puede quemar

dicho componente del sistema. Por otra parte, cuando se tiene el nivel de agua adecuado
se va a iniciar el proceso de bombeo hasta que a todos los niveles de la estructura llegue
el recurso hídrico. Por último, cuando el nivel de agua es máximo también se enviará una
alarma dando la instrucción de apagar la bomba hasta que nuevamente se tenga un nivel
adecuado.

El sistema de riego inicia en el tanque principal (colector 1) que se encuentra
ubicado en el costado sur del domo, una vez el sensor de nivel indique que el nivel de
agua es óptimo para iniciar el bombeo, la bomba se activa y la válvula solenoide impulsa
el agua hacia las tuberías iniciando en la parte superior tanto de la estructura central
como de la externa. La posición de las tuberías se modeló de tal forma que cuando el
agua pase hacia las tuberías de los niveles inferiores, quede la cantidad suficiente de
agua para que la raíz de las plantas quede humedecida y absorba el agua necesaria
para su crecimiento. El diagrama P&D mostrado a continuación ilustra el funcionamiento
de dicho sistema.

Ilustración 28. Diagrama P&D del sistema de riego. NS: Flotador de nivel superior, NI:
Flotador de nivel inferior, TI: Temperatura infrarroja (temperatura del agua). (Elaboración
propia, 2022)

La tabla 5 da una descripción de todos los sensores usados para el sistema de
monitoreo de variables críticas y en la cual se definen los pines, el microcontrolador al
que se conectó cada sensor y la lectura proporcionada.

Tabla 8. Descripción de los sensores usados para el sistema de monitoreo y
caracterización de la lectura.
Sensor Pines Tarjeta Lectura
Módulo de pH Vcc, GND, Out Arduino Uno pH: adimensional

Sensor Pines Tarjeta Lectura
(Análogo)
Módulo de
Electroconductividad
Vcc, GND, SCL,
SDA
Arduino Uno Conductividad
eléctrica del agua:
(𝑚𝑆 𝑐𝑚−1 )
MLX90614: sensor
infrarrojo
Vcc, GND, SCL,
SDA
Arduino Uno Temperatura del
agua (°C)
DHT22 Vcc, GND, Out Nodemcu ESP8266 Temperatura interna
(°C) y humedad (%)
𝐶𝑂2 (Análogo) Vcc, GND, AD Nodemcu ESP8266 Concentración de
𝐶𝑂2 (ppm)
Nivel de agua Vcc y GND Arduino Uno Nivel mínimo y nivel
máximo del tanque
Módulo Relé Vcc, GND, In1,
In2
Nodemcu ESP8266 Para bomba y
electroválvula

(Elaboración propia, 2022).

El sistema de monitoreo actual funciona mediante dos algoritmos: maestro y
esclavo. El programa esclavo es el encargado de la lectura de los sensores conectados
a la placa Arduino Uno. El programa maestro funciona con la lectura de los sensores
conectados a la tarjeta ESP8266 y a su vez recibe los datos transmitidos por el programa
esclavo mediante comunicación I2C. Dicha comunicación se establece mediante la
conexión de pines específicos entre las dos tarjetas, como se muestra en la ilustración
29:

Ilustración 29. Conexión entre Arduino Uno y ESP8266 para comunicación I2C
(Elaboración propia, 2022).
El pin A5 de Arduino Uno se conecta con D1, el pin A4 con D2 y se debe unir
GND. Esta configuración permite que se realice la transmisión de datos desde el
programa esclavo hacia el programa maestro para posteriormente ser enviados a la
plataforma IoT ThingSpeak.

El siguiente diagrama describe el funcionamiento de todo el sistema de monitoreo de
variables.

Ilustración 30. Diagrama de flujo del sistema de monitoreo