Integración de cámaras Web en el sistema de supervisión del clima de un invernadero a través de Internet

Author(s):
José Miguel Molina Martínez - Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área: Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena.
Bernardo Martín Górriz - Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área: Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena
Saúl Vázquez López - Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área: Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena
Francisco Sánchez López - Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área: Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena.

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW, SCC, Multifunction DAQ

The Challenge:
Desarrollar un sistema de supervisión del clima en un invernadero con incorporación de una webcam para conocer en todo momento y, a través de Internet, el estado del cultivo y la evolución de las distintas variables climáticas que le afectan.

The Solution:
Utilizar una tarjeta de adquisición de datos y un bloque de acondicionamiento de señal para recibir y procesar la señal de los distintos sensores climáticos. Integrar una webcam, conectada por un puerto USB del PC, dentro de un sistema de supervisión elaborado con LabVIEW.

1. Introducción

Para que se produzca el correcto desarrollo de las plantas, estas deben de contar con unas condiciones climáticas adecuadas.

Para estudiar la influencia de las diferentes variables climáticas sobre el crecimiento de los cultivos, desarrollamos la instalación y puesta en marcha de un sistema informático de adquisición de datos (SCADA), obtenidos a partir de sensores climáticos, los cuales, fueron instalados en un invernadero experimental de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT).

2. Equipamiento

Sobre un invernadero experimental de dimensiones 2x3x1,5 m, de uso docente, ubicado en las dependencias de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), se instaló un sistema de adquisición de datos climáticos y se incorporó una webcam para la supervisión del estado del cultivo.

2.1. Sensores climáticos

Los sensores climáticos en el interior del invernadero fueron los siguientes:

• Sensor de temperatura y humedad relativa (Vaisala, HMP45C), compuesto por una sonda de temperatura Pt l000, y un sensor capacitivo HUMICAP 180. Ambos proporcionan una señal analógica de 0 a 2,5 V.
• Sensor de radiación global solar (Skye Instruments, SKS-1110). La sensibilidad del sensor corresponde a 1mV / 100 W m^-2 recibidos y el rango de trabajo es de 5000 W m^-2, por lo que el rango de tensión de salida será de 1-50 mV correspondiendo linealmente con el margen de medida.
• Sensor de radiación neta basado en una termopila (NR-LITE, Kipp & Zonen), con una respuesta espectral de 0 a 100 µm. Su señal de salida es ±25 mV que se corresponde proporcionalmente con su rango de media ±2000 W m^-2, siendo su sensibilidad 10 µV W^-1m^-2.
• Anemómetro de cazoletas (Vector Instruments, A100R). Es un transductor pasivo, que proporciona un tren de pulsos a su salida (1 pulso cada 1,25 metros), con un umbral de arranque de 0.2 m s^-1.

También se ubicó en el exterior del invernadero un sensor de temperatura y humedad relativa (Vaisala HMP45C)  y un sensor de radiación global solar (SKS-1110).

2.2. Sistema de adquisición de datos

Se empleó una tarjeta de adquisición de datos (Nacional Instruments, PCI 6221,) conectada a un PC (Pentium Celeron CPU 2,8 Ghz, memoria RAM de 512 Mb y disco duro de 111 Gb). Se utilizó el sistema operativo Windows XP Profesional 2002 y se instaló LabVIEW 8.2 y los drivers de la tarjeta PCI 6221.

La adquisición de las señales proporcionadas por los sensores se realizó a través de un bloque de acondicionamiento de señal, modelo SC-2345, conectado a la tarjeta PCI 6221.

Tarjeta de adquisición de datos

La tarjeta PCI 6221 dispone de 16 entradas analógicas de 16 bits con una frecuencia de muestreo de 250 kmuestras/s, dos salidas analógicas de 16 bits a 833 kmuestras/s y dos contadores/temporizadores de 32 bits a 80 MHz. Esta tarjeta también ofrece 10 líneas de E/S digitales bidireccionales, dos de la cuales están correlacionadas a velocidades de hasta 1 MHz. Admite una entrada de 0-10 V.

Bloque y módulos de acondicionamiento de señal

El bloque de acondicionamiento de señal que se conectó a la PCI 6221 fue el modelo SC-2345. Para conducir y amplificar las señales de los sensores climáticos a los diferentes canales de la tarjeta se seleccionaron los siguientes módulos SCC:

2 MODULOS SCC-AI07. Posee dos canales con un rango de entrada de ±50mV y salida ±10V. Al primer módulo se conectaron dos sensores SKS-1110 cuya salida es de 1-50mV y al segundo se conectó el sensor NR-LITE cuyo rango de salida es ±25mV.

2 MODULOS SCC-AI05. Posee dos canales con un rango de entrada de ±1V y salida ±10V. A ambos módulos se conectaron dos HMP45C cuyos rangos de salida para temperatura y humedad relativa es de 0-1V.

El anemómetro A100R se conectó al pin 42 del bloque de conectores del SC-2345 que direcciona la entrada al contador CTR1 de la tarjeta de adquisición de datos.

Cámara de supervisión (Webcam)

La cámara web empleada fue el modelo Live! Cam Video IM Pro de Creative con una resolución de 1.3 megapíxeles y conexión USB 2.0 al PC.

La cámara se situó en lugar estratégico para visualizar el invernadero y los cultivos.

3. Software para la adquisición de datos y supervisión

La interfaz gráfica del programa desarrollado consta de dos fichas o solapas:

a) En la solapa “Valores instantáneos” se presenta gráficamente los datos recibidos por los sensores ubicados en el interior del invernadero (temperatura y humedad relativa del aire, radiación global, radiación neta y velocidad del viento) y en el exterior (temperatura y humedad relativa del aire). También se muestran las imágenes tomadas por la webcam de forma continua, permitiendo su desactivación mediante un interruptor situado en la parte inferior de la imagen (Fig. 1.)

El interruptor general ON-OFF, ubicado en la parte inferior izquierda, permite interrumpir la aplicación. A la derecha de este interruptor, se muestra la fecha y hora actual.

Figura 1. Panel frontal de la aplicación

b) La solapa “Histórico” se presentan cuatro gráficas con la evolución de las variables climáticas medidas.

El diagrama de bloques de la aplicación está desarrollado bajo dos estructuras “while loop” (Fig. 2.). La primera estructura es la encargada de adquirir, tratar, mostrar y almacenar los datos recogidos de los sensores climáticos y de mostrar las imágenes recibidas por la webcam. La segunda estructura while loop, situada en la parte inferior de la figura, es la que permite presentar la fecha y hora en el sinóptico.

Inicialmente se desarrolló un SubVI para cada sensor que, teniendo en cuenta su función de transferencia, convertía los valores de tensión recibidos por la tarjeta en un valor legible para su tratamiento y almacenamiento posterior (ºC, W•m^-2, etc.)

Figura 2. Diagrama de bloques de la aplicación

En el primer “while loop” de la Fig. 2 se observa que las lecturas de los sensores se realizan de forma ordenada dentro de la estructura “flat sequence”. En el caso de la radiación neta y de la radiación global se realiza una media de las 100 primeras muestras para que la indicación en el panel frontal no presente picos.

Una vez tomadas todas las lecturas, están salen del “flat sequence” y pasan: i) a las gráficas que se muestran en la segunda pestaña del panel frontal y ii) a un archivo denominado “datos.lvm” donde son almacenados. Este archivo, además de los datos de los sensores, incluye la fecha y hora de su adquisición.

El funcionamiento de la webcam ha sido desarrollado en una estructura “while loop” con objeto de que la cámara funcione continuamente con la condición “continue if true”. De esta forma la cámara emite continuamente imágenes. Un interruptor del modo on-off gobierna la condición del “while loop”, desactivando la cámara cuando es posicionado en off.

4. Conclusiones

Utilizando una tarjeta de adquisición de datos y un bloque de acondicionamiento de señal de la empresa National Instruments, para recibir y procesar la señal de distintos sensores climáticos, se ha desarrollado un sistema de supervisión del clima en un invernadero. Además, se ha incorporado una webcam que ha permitido conocer en todo momento y, a través de Internet, el estado del cultivo y estudiar sus relaciones con las distintas variables climáticas que le afectan.

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José Miguel Molina Martínez
Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área: Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena.

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