Sistema de monitorización y control de una instalación acuapónica mediante software OpenSource

i Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática (MIERA) Sistema de monitorización y control de una instalación acuapónica mediante software OpenSource Autor: Ricardo García Crespo Tutores: Ignacio Alvareda Richard Haes Ellis Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 ii iii Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Sistema de monitorización y control de una instalación acuapónica mediante software OpenSource Autor: Ricardo García Crespo Tutores: Ignacio Alvarado Richard Haes Ellis Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iv v Proyecto Fin de Máster: Sistema de monitorización y control de una instalación acuapónica mediante software OpenSource Autor: Ricardo García Crespo Tutores: Ignacio Alvarado Aldea Richard Haes Ellis El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: vi vii RESUMEN El proyecto actual consiste en el desarrollo y despliegue de un sistema de monitorización y control de bajo costo para una instalación acuapónica. Es un proyecto Open-Source basado en ESP32 y Raspberry Pi. Para la medición de los parámetros ambientales y del agua se utilizaron sensores de:  Temperatura  pH  Oxígeno disuelto  Conductividad eléctrica  Temperatura ambiental  Humedad relativa  Nivel de líquido Se incluyeron dispositivos adicionales encargados del almacenamiento de datos en local, visualización, temporización y actuación:  Módulo de memoria MicroSD  Pantalla LCD  Reloj en tiempo real  Relé El microcontrolador ESP32, junto con los sensores y actuadores distribuidos en la instalación, se encargan de la adquisición de datos y las automatizaciones. Una vez el microcontrolador procesa la información de entrada, ésta es enviada a una Raspberry Pi mediante protocolo MQTT. La Raspberry recibe la información por MQTT y la almacena en la nube en una base de datos PostgreSQL mediante un script en Python, utilizando para ello la API “psycopg2”. Para obtener y gestionar una base de datos en la nube se utilizó ElephantSQL, un servicio en la nube que ofrece bases de datos PostgreSQL como servicio (Database-as-a-Service o DBaaS). Con respecto al hardware y conexiones, para las primeras pruebas se utilizó una protoboard. La segunda etapa consistió en crear una solución más robusto y estable, soldando todos los componentes y dispositivos en una placa perforada. Una vez validado todo el software se diseñó y mandó a fabricar una placa de circuito impreso (PCB) como prototipo definitivo. Los softwares utilizados fueron: EasyEDA, ArduinoIDE, VSCode, Geany, ElephantSQL, PgAdmin4, VNC Viewer, RaspberryPi Imager y Putty. Los lenguajes de programación utilizados fueron: Arduino (C++), Python y SQL. viii ix ABSTRACT The current project consist of the development and deployment of a low cost monitoring and control system for an aquaponic installation. It is an Open-Source Project based on ESP32 and Raspberry Pi. For the measurement of environmental and water parameters, sensors of:  Temperature  pH  Dissolved oxygen  Electric conductivity  Environmental temperature  Relative humidity  Liquid level Additional devices responsable for local data storage, visualization, timing and actuation were included:  MicroSD memory module  Display LCD  Real time clock  Relay The ESP32 microcontroller, together with the sensors and actuators distributed in the installation, are responsable for data acquisition and automation. Once the microcrontroller precesses the input information, it is sent to a Raspberry Pi by MQTT protocol. The Raspberry receives the information via MQTT and stores it in the cloud in a PostgreSQL database by means of a Python script, using the “psycopg2” API. To obtain and manage a database in the cloud, ElephantSQL was used, a cloud service that offers PostgreSQL databases as a service (Database-as-a-Service or DBaaS). Regarding the hardware and connections, for the first tests a breadboard was used. The second stage consisted of creating something more robust and stable, soldering all the components and devices on a perforated plate. Once all the software was validated, a printed circuit board (PCB) was designed and manufacturated as a final prototype. The software used were: EasyEDA, ArduinoIDE, VSCode, Geany, ElephantSQL, PgAdmin4, VNCViewer, RaspberryPi Imager and Putty. The programming languages used were: Arduino (C++), Python and SQL. xvi Figura 71 – Instalar paquete ESP32 desde el gestor de placas de ArduinoIDE 47 Figura 72 – Diagrama de flujo referente al código de adquisición de datos 52 Figura 73 – Pasos para configurar y cargar Raspberry Pi OS en MicroSD con RaspberryPi Imager 53 Figura 74 – Configuración de los credenciales y el WiFi 53 Figura 75 – Cargando SO en MicroSD 53 Figura 76 – Contenido de la MicroSD con el SO 54 Figura 77 – Conexión remota con la Raspberry utilizando servidor SSH en Putty 54 Figura 78 – Comando para abrir la herramienta de configuración de Raspberry Pi 55 Figura 79 - Herramienta de configuración de Raspberry Pi 55 Figura 80 – Autenticación de acceso a Raspberry Pi con VNC Viewer 55 Figura 81 – Escritorio Raspberry Pi 56 Figura 82 – Configuración de IP estática en archivo dhcpcd.conf 56 Figura 83 – IP estática configurada correctamente 57 Figura 84 – Configuración bróker Mosquitto. Habilitar conexiones remotas 58 Figura 87 – Comprobar el estado del servicio mosquitto 60 Figura 88 – Página web ElepehantSQL 61 Figura 89 – Listado de instancias vacías tras crear una nueva cuenta 61 Figura 90 – Nueva instancia creada (aquaponic_system) 61 Figura 91 – Credenciales de la base de datos (instancia) 62 Figura 92 – Contenido de la tabla mostrada a través de ElephantSQL 62 Figura 93 - Contenido de la tabla mostrada a través de PgAdmin4 63 Figura 94 – Diagrama de flujo del código de almacenamiento de datos 65 Figura 95 – Código Python de almacenamiento de datos en Raspberry Pi (receive_data.py) 66 Figura 96 – Configuración del servicio para la ejecución automática del código de almacenamiento de datos (receive_data.py) 66 Figura 97 – Habilitar servicio receive_data.service 67 Figura 99 – Cultivo hidropónico (1) 68 Figura 100 – Cultivo acuícola. Tanque de peces 68 Figura 101 - Cultivo hidropónico (2) 68 Figura 102 – Instalación con prototipo Aquacol en placa perforada (1) 69 Figura 103 - Instalación con prototipo Aquacol en placa perforada (2) 69 Figura 104 – Instalación con prototipo Aquacol en PCB (1) 69 Figura 105 - Instalación con prototipo Aquacol en PCB (2) 69 Figura 106 – Lecturas almacenadas en un archivo CSV de la microSD 70 Figura 107 – Información de la base de datos visualizada con ElephantSQL (1) 71 Figura 108 - Información de la base de datos visualizada con ElephantSQL (2) 71 xvii Figura 109 – Evolución diaria de la temperatura del agua en el tanque 72 Figura 110 – Evolución diaria del pH 72 Figura 111 – Evolución diaria de la temperatura ambiente dentro y fuera de la instalación 73 Figura 112 – Evolución diaria de la humedad ambiente dentro y fuera de la instalación 73 Figura 113 – Puertos Serial del ESP32 que no deben utilizarse 76 Figura 114 – Esquemático electrónico 82 Figura 115 – Capa serigráfica superior de la PCB 83 Figura 116 – Routing en capa superior de la PCB 83 Figura 117 – Routing en capa inferior de la PCB 84 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1. Contexto Promover el uso de sistemas acuapónicos hoy en día es crucial para abordar desafíos tales como:  La seguridad alimentaria  La conservación de recursos  La reducción del impacto ambiental  La innovación tecnológica Estos sistemas ofrecen una forma sostenible y eficiente de producir alimentos frescos y nutritivos, especialmente en áreas urbanas y comunidades con recursos limitados. Sin embargo, construir este tipo de instalaciones presenta problemas debido a los altos costos asociados a los materiales, equipos y sistemas existentes, dificultando la implantación de estas técnicas en ciertas áreas. Además, la complejidad de la integración y la falta de soluciones específicas para acuaponía limitan la eficiencia y la precisión de estos sistemas. Por ello, es fundamental desarrollar soluciones de bajo costo y accesibles que aborden las necesidades específicas de los sistemas acuapónicos, permitiendo que agricultores, emprendedores y comunidades de vecinos puedan implementar estos sistemas con facilidad y obteniendo buenos resultados. 1.2. Objetivo Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo y despliegue de un sistema de monitorización y control de bajo costo para una instalación acuapónica, almacenando la información en una base de datos en la nube. 2 2 MARCO TEÓRICO 2.1. Acuaponía 2.1.1 Definición El término “acuaponía” proviene de la combinación del término acuicultura e hidroponía. La acuicultura es el conjunto de actividades, técnicas y conocimientos relacionados con la crianza de especies acuáticas, tanto animales como vegetales. Figura 1 – Tanque de peces en instalación acuícola Por otro lado, la hidroponía es una técnica de cultivo de plantas en la que se utilizan soluciones nutritivas, en lugar de suelo agrícola, que proporcionan los nutrientes necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas. En lugar de crecer en tierra, las raíces se sumergen en una solución de agua y nutrientes ajustados cuidadosamente en función de las necesidades del cultivo. Se utiliza comúnmente para el cultivo en ambientes controlados, como en invernaderos o interiores, permitiendo un mayor control sobre el entorno de crecimiento. Figura 2 – Cultivo hidropónico de lechuga Combinando dichos conceptos, la acuicultura es la técnica de cultivo de plantas y peces que combina la acuicultura tradicional con la hidroponía mediante el uso de sistemas de recirculación de agua y nutrientes en un ambiente controlado. 3 2.1.2 Principios Concibiendo un sistema acuapónico como un modelo de producción, el alimento suministrado a los peces funciona como la entrada de energía al sistema, del que obtienen los nutrientes necesarios para el desarrollo de sus vidas. Los peces absorben del alimento lo necesario, excretando aquello que son producto o desecho de su metabolismo. Tanto los desechos como el alimento no consumido se convierten en el sustrato del que se alimentan las bacterias nitrificantes, las cuales se encargan de convertir los residuos tóxicos, como el amoníaco, en nitritos y posteriormente en nitratos. Los nitratos disueltos en el agua son absorbidos por las raíces de las pantas que los usan como fuente de nutrientes. A medida que el agua atraviesa el cultivo hidropónico, las raíces de las plantas y los microorganismos asociados a ellas eliminan diversos contaminantes, como metales pesados y contaminantes orgánicos. También se libera oxígeno al agua mediante la fotosíntesis, beneficiando todo ello a los peces y demás organismos acuáticos. Figura 3 – Ciclo biológico de la acuaponía Un sistema acuapónico está formado por diferentes tipos de especies que trabajan de manera cooperativa y sostenible para autoabastecerse. El control de los parámetros ambientales, y sobre todo del agua, es crucial en este tipo de instalaciones, lo que hace necesario implementar precisos sistemas de monitorización y control que garanticen unas determinadas condiciones para el agua en cada una de las etapas. 4 2.1.3 Importancia Como modelo de producción sostenible de alimentos, la acuaponía posee muchas ventajas beneficiando tanto al ser humano como al planeta por numerosos aspectos:  Producción sostenible de alimentos  Reducción de la huella de carbono  Seguridad alimentaria  Diversificación de la producción alimentaria  Rentabilidad económica  Investigación y desarrollo Se exponen los beneficios que portan este tipo de metodologías de cultivo atendiendo a tres aspectos principales: social, medioambiental y económico. 2.1.3.1 Importancia social El desarrollo de sistemas acuapónicos tiene un impacto social positivo por diferentes motivos: 1. Proporcionan una fuente de alimentos frescos y saludables a comunidades locales. 2. Permiten el cultivo de alimentos vegetales y animales en áreas tanto urbanas como rurales, mejorando la seguridad alimentaria y reduciendo la dependencia de alimentos importados. 3. Pueden ser la solución para aquellos lugares donde no hay suficiente tierra o agua para cultivos tradicionales. 4. Pueden ser utilizados para abordar problemas sociales como la inseguridad alimentaria y la pobreza, proporcionando alimentos frescos y saludables a personas de bajos ingresos que de otra manera tendrían acceso limitado a estos alimentos. 5. Tienen la capacidad de mejorar la resiliencia de las comunidades antes desastres naturales y otros eventos imprevistos. Debido a que utilizan menos recursos naturales y son más resistentes a las condiciones climáticas adversas que los cultivos tradicionales, pueden seguir produciendo alimentos incluso en condiciones difíciles. 6. Pueden ser utilizados como herramienta educativa para enseñar a las personas sobre producción alimentaria y agricultura sostenible. 2.1.3.2 Importancia mediombiental Con respecto al medioambiente, el desarrollo de este tipo de sistemas también conlleva numerosas ventajas: 1. Promueven un uso eficiente del agua, ya que necesitan una cantidad significativamente menor que los cultivos tradicionales. Conlleva una reducción de la demanda de agua dulce, disminuyendo la presión sobre los recursos hídricos del planeta. 2. Reducción de la huella de carbono mediante la reducción de residuos y contaminantes generados. Se elimina la necesidad de utilizar fertilizantes y pesticidas químicos típicos de la agricultura tradicional. Además, la producción local de alimentos puede reducir la necesidad de trasporte y 5 almacenamiento de alimentos, lo que a su vez reduce las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas. 3. Se promueve la biodiversidad y la restauración de los ecosistemas acuáticos. Al cultivar peces y plantas en un entorno controlado y sostenible, los sistemas acuapónicos pueden ayudar a proteger las especies de peces y plantas en peligro de extinción, así como restaurar los ecosistemas acuáticos degradados. 2.1.3.3 Importancia económica Como no podía ser menos, la acuaponía también tiene una gran importancia a nivel económico para agricultores, empresas y comunidades que utilizan estos sistemas de producción. 1. Permite generar empleo local en áreas urbanas y rurales, reduciendo la necesidad de importar alimentos, beneficiando así la economía regional. 2. Aumenta la rentabilidad de las explotaciones agrícolas. Permite la producción de dos tipos de productos (vegetales y peces) compartiendo el agua, la energía y el alimento que necesitan, eliminando la necesidad de utilizar fertilizantes químicos y pesticidas. Todo esto conlleva una reducción del coste de producción y un aumento de los márgenes de beneficio de la explotación. 3. Posibilita la producción alimentaria durante todo el año, independientemente de las condiciones climáticas exteriores, lo que puede aumentar la producción y los ingresos en ciertas regiones. 2.1.4 Elementos de una instalación acuapónica Una instalación acuapónica consta de varios subsistemas que trabajan en conjunto para crear un sistema de cultivo integrado y sostenible. A continuación se describen cada uno de ellos: 2.1.4.1 Tanque de peces Es el componente principal de la acuicultura en el sistema acuapónico, ya que es el lugar donde se crían los peces y se acumulan los desechos orgánicos. Pueden estar fabricados de una gran variedad de materiales, dependiendo del presupuesto, durabilidad requerida, disponibildad y otros factores. Normalmente suelen ser de:  Plástico (PVC o polietileno)  Fibra de vidrio  Acero inoxidable 2.1.4.2 Filtro mecánico Encargado de eliminar los sólidos en suspensión y otras partículas grandes que puedan estar presentes en el tanque de peces antes de que el agua sea bombeada al sistema de cultivo hidropónico. 6 2.1.4.3 Filtro biológico Encargado de realizar el proceso de nitrificación. En él, las bacterias nitrificantes convierten los desechos orgánicos de los peces en compuestos nitrogenados que las plantas usan como fuente de nutrientes. 2.1.4.4 Sistema de cultivo hidropónico Consiste en un lecho de cultivo en el que se colocan las plantas. Las raíces se sumergen en el agua que fluye a través del sistema de cultivo, absorbiendo los nutrientes necesarios para su crecimiento. 2.1.4.5 Sistema de bombeo y tuberías La bomba y las tuberías se utilizan para transportar el agua desde el tanque de peces, a través de los filtros, hasta el cultivo hidropónico, devolviéndola posteriormente limpia al tanque de peces. 2.1.4.6 Sistema de control Conjunto de equipos y dispositivos encargados de la monitorización y control de la instalación. Normalmente consta de:  Sensores: Encargados de conocer los parámetros ambientales y del agua.  Actuadores: Encargados de realizar acciones sobre la instalación con el fin de modificar su comportamiento, guiando al sistema hacia un estado óptimo.  Controlador: Cerebro del sistema de control encargado de monitorizar la instalación y accionar los actuadores en función de las lecturas de los sensores. 2.1.5 Control de los parámetros del agua En un sistema acuapónico el agua es el elemento principal que permite el desarrollo de las especies que se cultivan, ya que:  Actúa como un medio de trasporte de nutrientes.  Aporta oxígeno para peces y plantas.  Actúa como un medio de limpieza, llevándose consigo todas las sustancias que se desechan en cada una de las etapas.  Ayuda a mantener la estabilidad del sistema. La calidad del agua es un factor crítico, por ese motivo es crucial controlar los parámetros cuidadosamente en función de las necesidades de las especies que habitan en el sistema. Los parámetros principales a controlar en todo sistema acuapónico son: 2.1.5.1 Temperatura del agua La temperatura es un factor crítico que afecta directamente a la tasa de crecimiento de los peces y plantas. La temperatura del agua se reduce demasiado, disminuye el metabolismo de los peces, reduciendo su capacidad para digerir los alimentos y afectando directamente a la tasa de 7 crecimiento. La temperatura también afecta a la tasa de nitrificación. Las bacterias nitrificantes operan mejor a temperaturas cálidas, mientras que a temperaturas bajas pueden disminuir su actividad reduciendo la capacidad del sistema para procesar los desechos de los peces. En este tipo de sistemas las plantas también necesitan una temperatura cálida para desarrollarse correctamente, aunque si aumenta demasiado puede afectar negativamente a la absorción de nutrientes y aumentar las posibilidades de enfermedades. La mayoría de especies que se cultivan en este tipo de sistemas prefieren una temperatura entre 20 y 30 grados Celsius. 2.1.5.2 PH El pH es otro factor crítico que afecta directamente la capacidad de los peces, plantas y bacterias para funcionar correctamente en el sistema, afectando directamente a la toxicidad de los nutrientes en el agua. El pH es una medida de concentración de iones H+ en solución, definiéndose de la siguiente manera: 𝑝𝐻 = −log ([𝐻+]) Las bacterias nitrificantes que convierten el amoníaco en nitratos son sensibles al pH del agua, funcionando mejor en un rango de 6.5 a 8. Una fluctuación significativa en los niveles de pH puede afectar negativamente a la capacidad para procesar los desechos de los peces. También afecta a la capacidad de las plantas para absorber los nutrientes. Con respecto a los peces, un pH bajo (ácido) puede provocar irritación en las branquias, mientras que uno alto (básico) puede reducir su capacidad para respirar. Mantener un pH equilibrado es crucial para garantizar que los nutrientes sean utilizados de forma segura y efectiva para los organismos del sistema. 2.1.5.3 Oxígeno disuelto Todos los organismos en el sistema acuapónico necesitan oxígeno para respirar. Si la concentración de oxígeno disminuye por debajo de un nivel crítico, los peces pueden experimentar estrés, enfermedades y una reducción de su capacidad para crecer y reproducirse. Las bacterias nitrificantes pueden reducir su actividad o morir, conllevando un aumento en la acumulación de amoníaco del sistema. La capacidad de absorción de nutrientes de las plantas disminuye, afectando directamente a su crecimiento y a su capacidad de producir cosechas. 2.1.5.4 Alcalinidad y dureza La alcalinidad o basicidad del agua es la medida de su capacidad para neutralizar ácidos, mientras que la dureza se refiere a la cantidad de calcio y magnesio disueltos en ella. Estos minerales son necesarios para el desarrollo de las plantas y peces. Si la dureza del agua es demasiado baja, las plantas y peces pueden sufrir deficiencias de calcio y 8 magnesio, afectando negativamente a su salud y crecimiento. En cambio, si la dureza si demasiado alta pueden formarse depósitos de calcio y magnesio en el sistema, acarreando obstrucciones en los conductos y afectado a la eficacia de los sistemas de filtración. Los niveles adecuados de alcalinidad y dureza pueden variar según las especies de plantas y peces que se cultivan, por lo que es importante investigar las necesidades específicas de las especies que se cultivan. 2.1.5.5 Conductividad eléctrica La conductividad eléctrica del agua es un parámetro importante a ser controlado en toda instalación acuapónica, ya que está directamente relacionado con la cantidad de sales disueltas, es decir, con la cantidad de nutrientes. Una concentración adecuada de nutrientes es esencial para que las plantas crezcan saludables y asegurar que los peces tengan un ambiente adecuado para vivir. Si la conductividad eléctrica es demasiado alta puede indicar que existe una acumulación excesiva de nutrientes en el agua, volviéndose tóxicos para los peces y otros organismos. Además puede promover el crecimiento de algas y otros microorganismos no deseados, obstruyendo los conductos y afectado a la eficacia de los sistemas de filtración. Por el contrario, si la conductividad eléctrica es demasiado baja puede indicar que la solución acuosa carece de nutrientes para las plantas, provocando una menor producción de alimentos y reduciendo su capacidad para purificar el agua. 2.2. Sistemas de monitorización y control 2.2.1. Dispositivos de medición Una vez descrita la importancia de los diferentes parámetros sobre la calidad del agua, queda clara la necesidad de controlarlos de manera precisa con el fin de mantener a las diferentes especies en condiciones saludables, optimizando la producción y aumentando la vida útil de los equipos. Para ello es necesario incluir sensores de:  Temperatura del agua  pH  Oxígeno disuelto  Conductividad eléctrica  Nivel de agua en tanques También es conveniente incluir sensores ambientales para conocer la temperatura y la humedad relativa existente en el entorno de la instalación.  Temperatura ambiente  Humedad relativa ambiente Para cada uno de los parámetros anteriores se describen los sensores más utilizados en acuaponía actualmente. 15 pH en instalaciones acuapónicas. Figura 18 – Bomba centrífuga Figura 19 – Bomba peristáltica 2.2.2.2. Electroválvulas Las electroválvulas son componentes esenciales en instalaciones acuapónicas. Permiten el corte y la apertura del suministro de agua en áreas específicas, lo que es importante para el control y regulación del sistema. Pueden controlarse mediante temporizadores o controladores de diferentes tipos (de pH, de nivel, de temperatura,…). Existen diferentes tipos de electroválvulas en el mercado, siendo las más communes:  Solenoide  De compuerta  De bola  De aguja Figura 20 – Electroválvula neumática 2.2.3. Controlador Es necesario inlcluir un dispositvo que se encargue de controlar y automatizar de manera precisa y eficiente los parámetros y procesos críticos en el sistema, aumentando la productividad y rentabilidad. Para ello se utilizan microcontroladores, cuya función será adquirir e interpreter las lecturas de los sensores, activando o desactivando los elementos de actuación de manera lógica en función de las necesidades del sistema. También pueden encargarse de almacenar la información del sistema en servidores o bases de datos. 16 Existen multitud de microcontroladores en el mercado, aunque aquí se describen los más comunes actualmente. 2.2.3.1. Arduino Arduino es una plataforma de desarrollo de hardware y software libre que permite crear prototipos de dispositivos electrónicos de manera fácil y accesible. Se compone de una serie de placas hardware y un entorno de programación integrado propio (ArduinoIDE). Existen numerosas de placas de Arduino, aunque aquí se muestran las más conocidas:  Arduino Uno  Arduino Mega  Arduino Nano  Arduino Due Figura 21 – Arduino Uno Figura 22 – Arduino Due Figura 23 – Arduino Nano Figura 24 – Arduino Mega 2.2.3.2. Espressif Espressif Systems es una empresa china especializada en el diseño y fabricación de microcontroladores, sistemas en chip (SoC) y módulos de comunicación inalámbrica. Posee un conjunto de herramientas de software para el desarrollo de aplicaciones con microcontrolador llamado ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework). Los microcontroladores suyos más conocidos son:  ESP8266  ESP32 Figura 25 – ESP8266 Figura 26 – ESP32 17 2.2.3.3. Raspberry Pi Raspberry Pi es una serie de ordenadores de placa reducida (no microcontroladores) de bajo costo y reducido tamaño desarrolladas por la Fundación Raspberry Pi. Son ordenadores muy versátiles y se utilizan para una amplia variedad de proyectos, desde servidores web hasta sistemas de automatización, robótica, educación, entretenimiento, etc. Existen diferentes versiones de la placa, siendo la más popular actualmente la Raspberry Pi 4 B:  Raspberry Pi 1, 2, 3 y 4  Raspberry Pi Zero Figura 27 – Raspberry Pi 4B Figura 28 – Raspberry Pi Zero 2.2.3.4. Comparativa Placa Microcontrolador Voltaje de operación Memoria flash Memoria RAM Velocidad reloj E/S digitales Comunicación Arduino UNO ATmega328P 5 VDC 32 KB 2 KB 16 MHz 14 UART, I2C, SPI, USB Arduino MEGA ATmega2560 5 VDC 256 KB 8 KB 16 MHz 54 UART, I2C, SPI, USB ESP3266 ESP8266 3.3 VDC 4 MB 80 KB 80/160 MHz 17 UART, I2C, SPI, Wi-Fi ESP32 ESP32 3.3 VDC 4 MB 520 KB 80/240 MHz 34 UART, I2C, SPI, Wi-Fi, Bluetooth Raspberry Pi 4B Broadcom BCM2711, quadcore Cortex-A72 5 VDC --- 4 GB 1.5 GHz 26 UART, I2C, SPI, USB, WiFi, Ethernet, Bluetooth Tabla 2 – Comparativa de placas de desarrollo 18 2.3. Bases de datos 2.3.1. Definición Conjunto de datos organizados y estructurados que pertenecen a un mismo contexto y se utilizan para administrar grandes cantidades de información electrónicamente. Dichos datos son agrupados en dispositivos de almacenamiento, como discos duros o servidores. No solo se encargan del almacenamiento, sino también de conectar los datos entre sí en una unidad lógica. Dentro de las bases de datos la información se organiza en tablas que contienen filas y columnas, y pueden ser manipuladas mediante operaciones como inserción, actualización, búsqueda y eliminación. Existen sistemas gestores de bases de datos (DBMS), que son softwares utilizados para administrarlas y gestionarlas. Proporcionan una interfaz cómoda para crear, almacenar, actualizar, recuperar o eliminar información en bases de datos, garantizando la integridad, seguridad y consistencia de éstos. 2.3.2. Necesidad En instalaciones acuapónicas es fundamental incluir el uso de una base de datos para mantener un registro del estado del sistema. Permite almacenar la información obtenida por el sistema de control, como las lecturas de los sensores, el registro de eventos o el historial de operaciones. Esto permite obtener un registro completo de la operación del sistema, ayudando a identificar patrones y tendencias que puedan ayudar a detector errores, carencias o mejorar le eficiencia y rendimiento del sistema. 2.3.3. Alternativas Open-Source En este apartado se exponen y comparan las distintas alternativas para bases de datos gratuitas que existen en el mercado actualmente. 2.3.3.1. MySQL MySQL es un sistema de gestión de bases de datos relacional (RDBMS) de código abierto muy popular. Fue desarrollado por Oracle Corporation y se distribuye bajo una licencia de software libre. Es compatible con una amplia gama de sistemas operativos, como Windows, Linux, macOS y Solaris, entre otros. Utiliza el lenguaje SQL (Structured Query Language) para acceder y manipular los datos almacenados en la base de datos. Figura 29 – Base de datos MySQL 19 2.3.3.2. PostgreSQL PostgreSQL es un sistema de gestión de bases de datos relacional de código abierto desarrollado por una comunidad de desarrolladores de todo el mundo. Fue creado por Michael Stonebraker en la Universidad de California de Berkeley en la década de los 80, y desde entonces se ha convertido en una de las bases de datos más populares en el mundo empresarial. Al igual que MySQL, es compatible con una amplia gama de sistemas operativos, utilizando el lenguaje SQL. Además ofrece un amplio conjunto de carcaterísticas avanzadas que lo hacen adecuado para proyectos de mayor complejidad. Figura 30 – Base de datos PostgreSQL 2.3.3.3. MongoDB MongoDB es un Sistema de gestión de bases de datos NoSQL de código abierto desarrollado por MongoDB Inc. Es una base de datos orientada a documentos, lo que es ideal para aplicaciones con datos no estructurados o semiestructurados. Compatable también con una alta gana de sistemas operativos, utiliza el format BSON (Binary JSON), utilizado para el intercambio de datos entre aplicaciones. Figura 31Base de datos MongoDB 2.3.3.4. SQLite SQLite es un Sistema de gestión de bases de datos relacional de código abierto que se ejecuta en la mayoría de sistemas operativos (Windows, Linux, MacOS, iOS, Android). A diferencia de otros sistemas de gestión de bases de datos, SQLite se implementa como una biblioteca de enlace dinámico integrada directamente en la aplicación que utiliza la base de datos. Es liviano y rápido, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieran poca memoria y alta velocidad de acceso a los datos. Es fácil de usar y no require un servidor separado, sino que la base de datos se almacena en un archivo local, facilitanto la portabilidad y el intercambio de datos entre aplicaciones. Figura 32 - Base de datos SQLite 20 2.3.3.5. Comparativa A continuación se muestra una tabla comparativa de las bases de datos descritas anteriormente, atendiendo a criterios como el tipo, el lenguaje utilizado, la escalablidad, la seguridad, la flexibilidad y la portabilidad. Base de datos Tipo Lenguaje Escalabilidad Seguridad Flexibilidad Portabilidad MySQL Relacional SQL Alta Buena Media Buena PostgreSQL Relacional SQL Alta Muy buena Media Buena MongoDB NoSQL BSON/JSON Alta Media Alta Media SQLite Relacional SQL Media Buena Baja Muy buena Tabla 3 - Comparativa de bases de datos Open-Source 21 3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA En este tercer apartado se describen todos los elementos que forman el sistema de monitorización y control acuapónico. Se expone una vision general de la instalación, indicando que dispositivos se integraron y el flujo de información entre ellos. Posteriormente se incluye una descripción más detallada de cada uno, además de las herramientas software utilizadas. 3.1. Visión general El sistema desarrollado consta de los dispositivos mencionados en la siguiente tabla: Tipo de dispositivo Dispositivo Modelo Unidades Sensores Sensor de temperatura del agua DS18B20 2 Sensor de pH DFRobot SEN0169 1 Sensor de oxígeno disuelto DFRobot SEN0237 1 Sensor de conductividad eléctrica DFR0300 1 Sensor de nivel Interruptor flotador RS PRO 2 Sensor de temperatura y humedad ambiental DHT22 2 Microcontroladores ESP32 ESP32 FireBeetle Board 1 Raspberry Pi Raspberry Pi 4 B 1 Otros dispositivos Módulo SD DFRobot MicroSD Module V1.0 1 Reloj RTC RTC DS3231 1 Display LCD LCD I2C 2004AV1.1 1 Relé Songle 2 relay module 2 Tabla 4 – Dispositivos seleccionados para el prototipo AQUACOL 22 El esquema presentado muestra el flujo de información del sistema, desde que el ESP32 adquiere las lecturas de la instalación hasta que éstas se almacenan en la base de datos PostgreSQL, visualizándose mediante herramientas como PgAdmin4 o ElephantSQL. Dado que se presentaron algunos impedimentos para comunicar directamente el ESP32 con la base de datos, se optó por utlizar una Raspberry Pi encargada de recoger la información de la instalación e insertarla en la base de datos mediante un script en Python, utilizando para ello la API “psycopg2”. La comunicación entre ESP32 y Raspberry Pi se realizó mediante protocolo inalámbrico MQTT, instalando el conocido broker “Mosquitto” de manera local en la Raspberry Pi. Figura 33 – Arquitectura general del sistema 23 3.2. Sensores Se describe de manera detallada cada uno de los sensores integrados en la instalación. 3.2.1. DS18B20 Para medir la temperatura del agua en los tanques se incluyeron dos sensores DS18B20. 3.2.1.1. Descripción general Sensor de temperatura digital que incorpora un elemento termosensible para medir mediante la variación de su resistencia eléctrica. El dispositivo incorpora un convertidor analógico digital (ADC) internamente. Se utilizó el DS18B20 con encapsulado TO-92 que además viene en forma de sonda impermeable. Figura 34 – Sensor DS18B20 con encapsulado TO-92 Figura 35 – Sensor DS18B20 con sonda impermeable Utiliza el protocolo de comunicación serie 1-Wire que permite la transmisión de datos a través de un único cable. Cada dispositivo 1-Wire tiene una dirección única de 64 bits permitiendo la conexión de varios dispositivos mediante una sola línea de comunicación. Para programarlo en ArduinoIDE serán necesarias las siguientes librerías:  OneWire  DallasTemperature Se eligió este dispositivo debido a su bajo costo y consumo, altas prestaciones y su cómoda integración. 3.2.1.2. Especificaciones técnicas  Rango de medición: -55 a 125 ºC  Precisión: +/- 0.5 ºC (-10 a 85 ºC)  Interfaz: 1-Wire  Tiempo de captura: <750ms  Alimentación: 3 a 5.5V 24 3.2.2. DFRobot SEN0169 Para conocer el nivel de pH del agua se utilizó la sonda SEN0169 de DFRobot. 3.2.2.1. Descripción general Sensor analógico de pH diseñado para medir la acidez o alcalinidad de una solución utilizando un electrodo de vidrio en una sonda con conector BNC. Figura 36 – Sensor de Ph de electrodo de vidrío SEN0169 DFRobot El kit contiene un modulo electrónico encargado de amplificar y procesar la señal. Este modulo presenta como entrada un conector BNC hembra, ofreciendo una interfaz de salida a tres pines (VCC, GND y ANALOG). Además incorpora un potenciómetro multivuelta para ajustar la ganancia. Figura 37 – Puertos del módulo de acondicionamiento Ph meter V1.0 31 3.2.5.1. Descripción general Un interruptor de flotador (float switch) es un tipo de sensor utilizado para detectar la presencia o ausencia de líquidos en un recipiente. Se compone de un flotador y un interruptor que se activa o desactiva cuando el nivel de líquido lo alcanza. Es común utilizar varios sensores de este tipo para controlar el nivel de un líquido en un tanque o depósito. Figura 45 – Detector de nivel tipo flotador (float switch) Figura 46 – Pines del sensor float switch El dispositivo posee cuatro pines de salida, aunque solo se utilizan dos. El par de pines a utilizar dependerá del tipo de contacto que se necesite (NA / NC). 3.2.5.2. Especificaciones técnicas  Material: Polipropileno  Colour: Blanco  Rango de temperatura: -20 a 100 ºC  Viscosidad mínima del fluido (SG): 0.80  Tipo de contacto: NA / NC  Tensión máxima AC: 100VAC  Tensión máxima DC: 300VDC  Corriente máxima: 1A  Interfaz: Conexión versión M12 3.2.6. DHT22 Los valores de temperatura y humedad relativa del ambiente serán adquiridos mediante un sensor DHT22. 3.2.6.1. Descripción general Sensor digital de temperatura y humedad relativa. Es una versión mejorada del popular DHT11. Internamente incorpora un sensor capacitivo para la medida de humedad y un termistor para la medida de temperatura. Utiliza un protocolo de comunicación propio que permite el envío de datos a través de un único pin de salida digital. 32 Figura 47 – Terminales del sensor ambiental DHT22 Para programar el sensor en ArduinoIDE se utiliza:  DHT sensor library 3.2.6.2. Especificaciones técnicas  Voltaje de alimentación: 5VDC  Voltaje de salida: 0 – 3.3VDC  Rango de temperatura: -40 a 80 ºC  Precisión de temperatura: +/- 0.5 ºC  Resolución de temperatura: 0.1 ºC (16 bits)  Rango de humedad relativa: 0 a 100%  Precisión de humedad relativa: +/- 2%  Resolución de humedad relativa: 0.1% HR (16 bits) 3.3. Actuadores Este proyecto permite la integración de dos dispositivos de actuación que no se han incluido físicamente:  Bomba peristáltica  Electroválvula Para poder controlar dichos dispositivos se incluye un módulo relé de dos canales que será descrito más delante. 33 3.4. Microcontroladores Se describen los microcontroladores utilizados en el desarrollo del proyecto, los cuales realizarán tareas de adquisición, procesado, envío y almacenamiento de datos. 3.4.1. ESP32 FireBeetle Board Como elemento de adquisición de datos de la instalación y procesado se utilizó un microcontrolador FireBeetle ESP32. 3.4.1.1. Descripción general Como dispositivo de adquisición de datos y control se utiliza un microcontrolador FireBeetle Board-ESP32 V4.0 de DFRobot. Se trata de una placa de desarrollo compacta de 34 pines basada en el microcontrolador ESP32 de Espressif Systems, un chip de bajo consumo que combina Wi-Fi y Bluetooth en una sola solución, lo que la hace ideal para aplicaciones de IoT y electrónica de consumo. A continuación se muestra el GPIO de la placa: Figura 48 – Distribución de pines FireBeetle ESP32-Board 3.4.1.2. Especificaciones técnicas  Voltaje de operación: 3.3VDC  Voltaje de alimentación: 3.3-5VDC  Consumo de corriente en bajo consumo: 10uA  Corriente máxima de descarga: 600mA  Corriente máxima de carga: 500Ma 34  Procesador: Tensilica LX6 Dual Core  Frecuencia: 240MHz  SRAM: 520KB  Flash: 16MB  Estándar Wi-Fi 802.11 b  Rango de frecuencia Wi-Fi: 2.4 - 2.5GHz  Estándar Bluetooth v4.2  Reloj interno: cristal de 40MHz y 32.768KHz  Entradas/Salidas digitales: 10  Entradas analógicas: 5  Interfaces de comunicación: UART, SPI, I2C, I2S, ASC, DAC, 1-Wire  Temperatura de operación: -40 a 85 ºC 3.4.2. Raspberry Pi 4B Para realizar la conexion con la base de datos almacenando toda la información del sistema se utilizo una Raspberry Pi 4B. 3.4.2.1. Descripción general Ordenador de placa reducida (SBC) y bajo coste desarrollado en el Reino Unido por la Raspberry Pi Foundation. El software es open-source, siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada de la distribución Debian (basada en Linux) denominada RaspberryPi OS (antiguamente Raspbian), aunque permite usar otros sistemas operativos. A continuación se muestra la distribución de sus pines: Figura 49 - Distribución de pines Raspberry Pi 4B 35 3.4.2.2. Especificaciones técnicas  Procesador: Broadcom BCM2711, ARM Cortex-A72 de 64 bits (4 núcleos a 1.5 GHz)  Memoria RAM: 8GB LPDDR4-3200 SDRAM  Conectividad inalámbrica: o Wi-Fi 802.11ac de doble banda (2.4GHz y 5GHz) o Bluetooth 5.0  Ethernet: Gigabit Ethernet  Puertos USB: o 2 x USB 2.0 o 2 x USB 3.0  Puertos de video: 2 x micro-HDMI  Audio: Conector de audio de 3.5mm para auriculares y micrófono.  GPIO: Conector de 40 pines  Interfaces de comunicación: UART, SPI, I2C  Almacenamiento: Ranura para tarjeta microSD (SO y almacenamiento de datos)  Interfaz de cámara: Conector de cámara MIPI de 2 canales  Interfaz de pantalla: Interfaz de pantalla DSI de 2 carriles  Dimensiones: 88 x 58 x 19.5 mm 3.5. Otros dispositivos Además de los elementos descritos anteriormente se hace necesario incluir varios dispositos adicionales que permitan el almacenamiento de datos en local, la temporización en tiempo real, la visualización de los datos en la instalación y la conmutación de los actuadores. 3.5.1. DFR0229 (Módulo MicroSD) Encargado de almacenar todas las medidas del sistema de manera local en una tarjeta MicroSD. 3.5.1.1. Descripción general Módulo que permite la conexión de una tarjeta MicroSD a un microcontrolador mediante una interfaz SPI. Cuenta con un conector para la tarjeta MicroSD, un regulador de voltaje integrado para el suministro de tensión estable y constante a la tarjeta, y un convertidor de nivel lógico de 3.3V a 5V para adaptar la señal de la interfaz SPI a diferentes niveles de tensión de entrada. Es compatible con una amplia variedad de tarjetas MicroSD, incluyendo las tarjetas de capacidad estándar y de alta capacidad (SDHC y SDXC). Permite velocidades de transferencia de datos de alta velocidad, hasta 50 Mbps. 36 Figura 50 – MicroSD Module V1.0 DFRobot (DFR0229) PINOUT MISO Pin de comunicación de esclavo a maestro (Master Input Slave Output) MOSI Pin de comunicación de maestro a esclavo (Master Output Slave Input) SCK Reloj SS Pin de selección de esclavo (Slave Select) VCC 5 VDC (Alimentación) GND 0 VDC (Tierra) Tabla 5 – Distribución de pines del módulo MicroSD DFR0229 Para trabajar con él en el entorno de Arduino es necesario instalar las siguientes librerías:  SD (Secure Digital) Librería software de ArduinoIDE que permite leer y escribir datos en una tarjeta SD o MicroSD utilizando un microcontrolador. Proporciona una API para acceder al contenido de la memoria.  FS (File System) Librería software de ArduinoIDE que proporciona una interfaz de programación para el acceso y manipulación de sistemas de archivos en un microcontrolador. Es una depedencia de la librería SD. 3.5.1.2. Especificaciones técnicas  Voltaje de alimentación: 5 VDC  Voltaje de operación: 3.3 VDC  Interfaz de comunicación: SPI (Serial Peripheral Interface)  Frecuencia de reloj máxima SPI: 20 MHz  Soporte de sistema de archivos: FAT16 y FAT32  Tamaño: 15mm x 25mm 3.5.2. RTC DS3231 Para obtener la marca de tiempo de cada medida de manera precisa se incluye un módulo de reloj en tiempo real (RTC) DS3231. 37 3.5.2.1. Descripción general Módulo de reloj en tiempo real que utiliza un oscilador de cristal compensado por temperatura. Incluye una pila para alimentación propia y una memoria EEPROM AT24C32 capaz de almacenar 4KB de datos de forma permanente. Utiliza el protocolo de comunicación I2C. Figura 51 – Reloj en tiempo real RTC DS3231 PINOUT SCL Terminal para la señal de reloj (Serial Clock) SDA Terminal para la señal de datos (Serial Data) VCC 5 VDC (Alimentación) GND 0 VDC (Tierra) Tabla 6 – Distribución de pines I2C del RTC DS3231 Para trabajar con él en el entorno de Arduino se utiliza la librería:  RTCLib 3.5.2.2. Especificaciones técnicas  Voltaje de alimentación: 3.3 - 5VDC  Precisión del reloj: +/- 2ppm  Interfaz de comunicación: I2C  Dirección I2C: o Lectura: 0xD1 o Escritura: 0xD0  Memoria EEPROM AT24C32: 4KB  Dimensiones: 38 x 22 mm 3.5.3. Display LCD 2004 I2C Se integró un módulo display LCD de 20x4 caracteres con comunicación I2C para mostrar la información del sistema en tiempo real. 3.5.3.1. Descripción general Módulo de visualización alfanumérica que cuenta con una pantalla de cristal líquido (LCD) capaz de mostrar 20 caracteres en cada una de sus 4 filas, sumando un total de 80 caracteres. Esta version del módulo incorpora una pequeña placa electrónica a su reverso que permite la comunicación I2C, facilitando la conexión con otros dispositos y reduciendo la cantidad de pines necesarios. Contiene un potenciómetro para ajustar el contraste de la pantalla. 38 Figura 52 – Display LCD de 20x4 caracteres con módulo de comunicación I2C Al implementar una comunicación I2C, el pinout es el mismo que el descrito en la tabla 6. Para trabajar con la pantalla en ArduinoIDE se utiliza la librería:  LiquidCrystal_I2C 3.5.3.2. Especificaciones técnicas  Tamaño de pantalla: 20 x 4 caracteres  Controlador: HD44780  Interfaz de comunicación I2C  Tamaño del módulo: 98 x 60 x 14 mm  Voltaje de alimentación: 5 VDC  Temperatura de operación: -20 a 70 ºC  Contraste ajustablemediante potenciómetro  Bajo consume energético 3.5.4. Relay Module 2CH Para controlar la activación y desactivación de los actuadores se incorpora un módulo relé de dos canales. 3.5.4.1. Descripción general Un relé es un interruptor electro-mecánico. En su interior aloja un electroimán que al excitarse unirá dos contactos metálicos, cerrando el circuito al que está conectado y activando la carga correspondiente. Sirven para activar circuitos que tienen un consumo considerable de electricidad mediante otro circuito de pequeña potencia. Por seguridad existe un aislamiento galvánico entre las zonas de baja y alta potencia. Esto quiere decir que no existe un camino físico de conducción eléctrica entre ambas zonas, protegiendo así los elementos de control de cualquier fallo o sobretensión eléctrica. 39 Figura 53 – Módulo de relé de dos canales PINOUT (Zona de baja potencia) IN1 Terminal de control del canal 1 IN2 Terminal de control del canal 2 VCC 5 VDC (Alimentación) GND 0 VDC (Tierra) Tabla 7 - Ditribución de pines del relé 3.5.4.2. Especificaciones técnicas  Número de canales: 2  Limites eléctricos en zona de alta potencia: o 10A, 250VAC o 10A, 30VDC  Límites eléctricos en zona de baja potencia: o 10A, 125VAC o 10A, 28VDC 40 4 DESARROLLO Una vez descritos todos los dispositivos necesarios para la instalación se procede a explicar el desarrollo y la metodología seguida en el proyecto. Para ello, éste punto se divide en dos partes, el desarrollo hardware y el desarrollo software, ejecutados ambos en paralelo. 4.1. Hardware Se realizó un desarrollo hardware ordenado y escalado, dividido en tres etapas: 1. Integración en protoboard 2. Desarrollo en placa perforada 3. Diseño PCB 4.1.1. Integración en protoboard Etapa inicial del desarrollo en la que se realiza un primer conexionado en protoboard, permitiendo familiarizarse con los dispositivos y realizar las primeras pruebas de forma rápida y flexible. Esta etapa es fundamental para verificar la funcionalidad básica del diseño y realizar pruebas iniciales sin incurrir en los costos y el tiempo asociados con el desarrollo de placas más permanentes. Figura 54 – Integración del sistema en protoboard (1) 47 4.2.1.3. Package ESP32 Para poder trabajar con el FireBeetle ESP32 en ArduinoIDE hay que instalar su correspondiente paquete. Para ello se accede a “Files > Preferences” y se incorpora el siguiente enlace que incluye todos los paquetes necesarios para trabajar con placas ESP32 de DFRobot. http://download.dfrobot.top/FireBeetle/package_DFRobot_index.json Figura 70 – Incluir URL del paquete a descargar en ArduinoIDE (package_DFRobot_Index.json) Al aceptar se descargan automáticamente, apareciendo en el gestor de placas para proceder con su instalación, como se muestra en la siguiente figura. Figura 71 – Instalar paquete ESP32 desde el gestor de placas de ArduinoIDE 48 4.2.2. Programa de adquisición de datos (ESP32 + ArduinoIDE) Una vez preparado el entorno de ArduinoIDE se realiza el programa de adquisición de datos. Éste se encarga de leer y procesar la información de los sensores, almacenando dichos datos localmente en una memoria SD y enviándolos mediante MQTT al broker para su posterior almacenamiento en la base de datos. También se realizan dos automatizaciones, una para el control de nivel de agua en un tanque y otra para el control del pH. La información de los sensores se muestra en tiempo real a través de una pantalla LCD incorporada en la PCB. 4.2.2.1. Librerías Las librerías son componentes de software esenciales en el entornode ArduinoIDE. Son códigos predefinidos con funciones que permiten acceder y utilizar carcaterísticas específicas del hardware, permitiendo realizar tareas complejas sin tener que escribir el código desde cero. Una parte de las librerías que se utilizan vienen por defecto en el paquete de ESP32. Las demás se deben instalar manualmente desde el gestor de librerías del entorno. A continuación se describe cada una de ellas: Nombre Descripción WiFi Librería estándar incluida en el entorno que permite contectar el hardware a redes inalámbricas y utilizar protocolos de comunicación como TCP/IP para intercambio de datos con otros dispositivos de la red. SD Librería estándar incluida en el entorno que permite trabajar con tarjetas de memoria SD y microSD. FS Librería estándar incluida en el entorno que permite accede y manejar sistemas de archivos en dispositivos de almacenamiento, como tarjetas SD/microSD o memorias flash SPIFFS. EEPROM Librería estándar incluida en el entorno que permite utilizar la memoria EEPROM de la placa. SPI Librería estándar incluida en el entorno que facilita la comunicación SPI, proporcionando funciones para configurar y controlar dicha comunicación. OneWire Librería externa utilizada para comunicar dispositivos que siguen el protocolo OneWire, como los sensores de temperatura DS18B20, memorias RAM y otros dispositivos compatibles. DallasTemperature Librería externa utilizada para trabajar con sensores de temperatura basados en el protocolo OneWire, como el 49 DS8B20, proporcionando una interfaz sencilla para obtener las lecturas. DFRobot_ESP_EC_BY_GREENPONIK Librería externa utilizada para trabajar con sensores de conductividad eléctrica de DFRobot. Proporciona una inerfaz que permite leer y calibrar el sensor cómodamente. LiquidCrystal_I2C Librería externa utilizada para controlar pantallas LCD mediante el protocolo I2C. PubSubClient Librería externa utilizada para implementar comunicaciones mediante protocolo MQTT. DHT sensor library Librería externa utilizada para interactuar con sensores de temperatura y humedad de la serie DHT (DHT11, DHT22). Adafruit Unified Sensor Librería externa desarrollada por Adafruit Industries que proporciona una interfaz unificada para trabajar con una gran variedad sensores y módulos en ArduinoIDE. Es una dependencia de la librería “DHT sensor library”. RTClib Librería externa utilizada para trabajar con relojes de tiempo real (RTC). Adafruit BusIO Librería externa desarrollada por Adafruit Industries que proporciona una interfaz común para trabajar con diversos buses de comunicación en el entorno de ArduinoIDE. Facilita la comunicación con dispositivos que utilzan I2C, SPI y UART. Es una dependencia de la librería “RTClib”. Esp_adc_cal Librería específica para ESP32 que proporciona funciones para calibrar y obtener lecturas precisas de su ADC. Tabla 8 – Descripción de librerías para el código de adquisición de datos con ESP32 4.2.2.2. Descripción de funciones El código de adquisición de datos se compone de diferentes partes: 1. Definición de constantes, variables y objetos 2. Definición de funciones 3. Configuraciones 4. Bucle de procesado. Se trabaja con variables globales, careciendo casi todas las funciones de argumentos de entrada y salida. A continuación, se describen las funciones implementadas. 50 Nombre Descripción Get_pH_value Calcula y devuelve el valor de pH. Para ello obtiene ocho medidas, eliminando las dos que poseen valores extremos y calculando la media con las seis restantes. De esta forma se asegura de devolver valores coherentes y eliminar el ruido. Es necesario aplicar una función de calibración del ADC para obtener resultados más precisos. Get_o2_value Calcula y devuelve la concentración de oxígeno disuelto. Para ello necesita el voltaje medido, la temperatura actual y la tensión de saturación del oxígeno a dicha temperatura. Es necesario aplicar una función de calibración del ADC para obtener resultados más precisos. Get_ec_value Calcula y devuelve el valor de la coductividad eléctrica. Utiliza una librería específica para obtener la conductividad a partir del voltaje medido. Es necesario aplicar una función de calibración del ADC para obtener resultados más precisos. Get_Sensors Recopila las lecturas de todos los sensores filtrando los valores erróneos o incoherentes. Realiza la suma de cada lectura para calcular el valor medio de ellas más adelante. Get_Average Calcula el valor medio de todas las lecturas y obtiene la marca de tiempo. Write_SD Almacena el valor medio de las lecturas y la marca de tiempo en un archivo CSV alojado en la memoria SD. Send_MQTT Construye una trama con el valor medio de todas las lecturas y la marca de tiempo y la envía por MQTT. Show_LCD Muestra por la pantalla LCD el valor de cada lectura en tiempo real. ReadFile Lee un archivo de texto alojado en la memoria SD para obtener el SSID y la contraseña del WiFi. Se llama desde la función de configuración del WiFi (setup_wifi) WriteFile Genera el archivo CSV en la memoria SD donde almacenar los datos en caso de que no exista, incluyendo una cabecera. Se llama desde la función de configuración de la memoria SD (setup_sd). AppendFile Añade información al archivo CSV de la memoria SD. Se llama desde la función de escritura de datos en la SD (Write_SD). 51 Level_Control Realiza el control de nivel de un tanque. Para ello lee el estado de los sensores float switch, activando o desactivando una electroválvula cuando corresponda. La electroválvula irá conectada al canal 1 del relé. Ph_Control Realiza el control del pH de un tanque. Para ello se comprueba el valor del pH cada hora. Si está por debajo del umbral se activará la bomba peristáltica durante 10 minutos. La bomba irá conectada al canal 2 del relé. Init_times Función encargada de inicializar las variables que alamacenan el valor de los instantes anteriores. Dichos valores son necesarias para la temporización de cada una de las tareas que se ejecutan en el bucle de procesado. Setup_devices Se encarga de inicializar todos los dispositivos, establecer los pines de entrada/salida y calibrar el ADC. Setup_wifi Función para configurar e iniciar la conexión WiFi. Obtiene el SSID y la contraseña de un archivo de texto alojado en la memoria SD. En caso de no conectarse, esperará un timeout de 15 segundos antes de notificarlo y continuar con el resto de configuraciones. Setup_mqtt Función para configurar e iniciar la conexión MQTT con el broker. En caso de no conectarse, esperará un timeout de 15 segundos antes de notificarlo y continuar con el resto de configuraciones. Setup_sd Función para configurar la memoria SD. Si en la SD no existe el archivo CSV donde alojar los datos, lo crea y le añade una cabecera. Setup Función de configuración típica de ArduinoIDE. Se encarga de realizar las llamadas a todas las configuraciones descritas anteriormente. Loop Bucle de procesamiento. Se realizan las diferentes tareas de manera cooperativa, realizando las llamadas a todas las funciones descritas anteriormente. Tabla 9 - Descripción de funciones para el código de adquisición de datos con ESP32 52 4.2.2.3. Descripción del código A continuación se describe el código de adquisición de datos mediante un diagrama de flujo: Figura 72 – Diagrama de flujo referente al código de adquisición de datos 53 4.2.3. Configuración Raspberry Pi Antes de poder trabajar con la Raspberry es necesario realizar una serie de configuraciones previas, que incluyen: 1. Preparación de la tarjeta microSD 2. Escritorio remoto 3. IP estática 4. Instalación de paquetes 4.2.3.1. Preparación de la tarjeta SD El primer paso es cargar el sistema operativo en la memoria SD que incluye la placa, estableciendo unos credenciales de acceso (nombre de usuario y contraseña) y configurando la conexión WiFi. Para ello se utiliza Raspberry Pi Imager, que se puede descargar a través del siguiente enlace: https://www.raspberrypi.com/software/ Se describe el proceso a seguir para la configuración de la microSD: 1. Contar con una tarjeta microSD de 8GB como mínimo y formatearla. Para ello se utilizó el software “SD Card Formatter”. 2. Cargar el SO en la memoria microSD, configurando los credenciales de acceso, la conexión WiFi y el servidor SSH con Raspberry Pi Imager. Figura 73 – Pasos para configurar y cargar Raspberry Pi OS en MicroSD con RaspberryPi Imager Figura 74 – Configuración de los credenciales y el WiFi Figura 75 – Cargando SO en MicroSD 3. Una vez cargado el SO, hay que extraer y volver a insertar la tarjeta en el PC. El contenido de la microSD queda de la siguiente manera: 54 Figura 76 – Contenido de la MicroSD con el SO 4.2.3.2. Escritorio remoto Como todo ordenador, la Raspberry Pi incorpora los puertos necesarios para trabajar con ella utilizando ratón, teclado y monitor. En este caso se prescinde de dichos periféricos utilizando un escritorio remoto llamado VNC Viewer, disponible en: https://www.realvnc.com/es/connect/download/viewer/ Para acceder a la Raspberry se necesita conocer la dirección IP de la placa dentro de la red local. Para ello se puede utilizar algún software de escaneo de IPs, como “Advanced IP Scanner”. Es necesario habilitar el escritorio remoto VNC en la Raspberry. Para ello se accede al sistema mediante un servidor SSH, utilizando la dirección IP asignada a la placa. Se utlizó el software “Putty”. Figura 77 – Conexión remota con la Raspberry utilizando servidor SSH en Putty Una vez dentro, se utiliza la herramienta de configuración del sistema (raspi-config) para habilitar el servicio VNC. Interface Options > VNC > Enable 55 Figura 78 – Comando para abrir la herramienta de configuración de Raspberry Pi Figura 79 - Herramienta de configuración de Raspberry Pi Tras la configuración se debe reiniciar el sistema para que se apliquen los cambios. En VNC Viewer se crea una nueva conexión incluyendo la dirección IP de la placa. Llegados a este punto se podrá acceder a la Raspberry mediante el escritorio remoto utilizando los credenciales de acceso, como se muestra en las siguientes figuras: Figura 80 – Autenticación de acceso a Raspberry Pi con VNC Viewer 56 Figura 81 – Escritorio Raspberry Pi Una vez dentro se actualiza el sistema operativo ejecutando los siguientes comandos: >> sudo apt-get update >> sudo apt-get upgrade 4.2.3.3. IP estática Es conveniente establecer una dirección IP estática para la Raspberry dentro de la red local. De esta manera se podrá utilizar siempre la misma conexión en VNC y se evitan problemas de acceso en caso de que el servidor DHCP cambie la IP de la placa. Para ello se accede al fichero de configuración del servidor DHCP mediante el editor de texto “nano”, utilizando el siguiente comando: >> sudo nano /etc/dhcpcd.conf Y se añade lo siguiente: Figura 82 – Configuración de IP estática en archivo dhcpcd.conf 63 Figura 93 - Contenido de la tabla mostrada a través de PgAdmin4 4.2.6. Programa de almacenamiento de datos (Raspberry Pi + Python) Con Mosquitto instalado y una base de datos creada, se describe el proceso de recepción y almacenamiento de datos. La solución consiste en un script en Python alojado en la Raspberry que utiliza el broker Mosquitto y la API psycopg2 con dos objetivos: 1. Recepción de mensajes MQTT desde el ESP32 alojado en la instalación. 2. Almacenamiento de dicha información en una tabla de la base de datos en la nube. 4.2.3.1. Librerías A continuación, se describe cada una de las librerías necesarias para el programa de almacenamiento de datos en Python: Nombre Descripción Paho.mqtt.client Implementa el protocolo MQTT en Python, proporcionando una API para que los clientes se conecten a un broker MQTT con el fin de publicar o suscribirse a determinados mensajes a través de un topic. Psycopg2 Adaptador de base de datos que permite la interacción de Python con bases de datos PostgreSQL, proporcionando una interfaz eficiente y fácil de usar para realizar operaciones de consulta y manipulación de datos. Threading Biblioteca propia de Python que permite crear y administrar hilos (threads) en un programa, permitiendo la ejecución simultánea de tareas. Tabla 10 – Descripción de librerías Python del código de almacenamiento de datos 64 4.2.3.2. Descripción de funciones En la siguiente tabla se muestran las funciones que se utilizaron para implementar la recepción y almacenamiento de datos de la instalación, indicando a qué hilo pertenecen: Hilo Función Descripción Thread_MQTT On_connect Función callback proporcioada por la librería paho.mqtt.client. Se invoca cuando el cliente MQTT establece una connexion exitosa con el broker. Una vez establecida la conexión, el cliente se suscribe al topic. On_message Función callback proporcioada por la librería paho.mqtt.client. Se invoca cuando el cliente MQTT recibe un mensaje en el topic al que está suscrito, decodificándolo y levantando una bandera que indica la recepción de un nuevo mensaje para almacenar en la base de datos. Thread_DB DB_conexion Función encargada de establecer una conexión con la base de datos PostgreSQL utilizando la librería “psycopg2”. Insert_data Función encargada de realizar una consulta con la base de datos para inserter la última trama recibida por MQTT. Create_table Función opcional encargada de crear una nueva tabla en la base de datos, configurando el nombre y el tipo de dato de cada columna. Tabla 11 - Descripción de funciones del código de almacenamiento de datos 65 4.2.3.3. Descripción del código La funcionalidad del código se describe mediante el siguiente diagrama de flujo: Figura 94 – Diagrama de flujo del código de almacenamiento de datos 4.2.3.4. Ejecución automática del programa Como último paso, se configura el script para que sea lanzado automáticamente al encender la Raspberry sin necesidad de hacer loggin. Para ello se utiliza “systemd”, un sistema de inicio y administración de servicios utilizado en distribuciones de Linux. Se encarga de iniciar, detener y administrar los servicios del sistema de manera eficiente. A continuación, se describen los pasos a realizar para la configuración: 1. Alojar el script en una ruta conocida. En este caso: /home/aquacol El programa se llama receive_data.py 66 Figura 95 – Código Python de almacenamiento de datos en Raspberry Pi (receive_data.py) 2. Crear un archivo de configuración (archivo de unidad) que informa a systemd de lo que hay que hacer y cuándo: >> sudo nano /lib/system/system/receive_data.service Figura 96 – Configuración del servicio para la ejecución automática del código de almacenamiento de datos (receive_data.py) 3. Habilitar permisos para el servicio: >> sudo chmod 644 /lib/systemd/system/receive_data.service 4. Configurar systemd para que inicie el servicio automáticamente tras la secuencia de arranque: >> sudo systemctl daemon-reload >> sudo systemctl enable receive_data.service 67 Figura 97 – Habilitar servicio receive_data.service 5. Reiniciar el sistema para aplicar los cambios >> sudo reboot 6. Comprobar que el servicio se encuentra activo tras iniciar el sistema: >> sudo systemctl status receive_data.service Figura 98 - Comprobar el estado del servicio receive_data.service Llegados a este punto queda correctamente configurada la Raspberry para lanzar automáticamente el script de almacenamiento de datos al encender la placa. 68 5. RESULTADOS En este apartado se exponen los resultados obtenidos durante el desarrollo del proyecto. Se muestran imágenes de la instalación acuapónica con el sistema de monitorización integrado, desde las primeras pruebas con la placa perfoda hasta el prototipo final en PCB. También se muestran las lecturas de la instalación almacenadas tanto en la microSD como en la base de datos, incluyendo la evolución de diferentes parámetros a lo largo de un día. 5.1. Instalación acuapónica En las siguientes imágenes aparece la instalación hidropónica y el tanque de peces propio del cultivo acuícola. Figura 99 – Cultivo hidropónico (1) Figura 100 – Cultivo acuícola. Tanque de peces Figura 101 - Cultivo hidropónico (2) 69 En este caso se muestra el prototipo final desplegado en la instalación acuapónica. Figura 102 – Instalación con prototipo Aquacol en placa perforada (1) Figura 103 - Instalación con prototipo Aquacol en placa perforada (2) Figura 104 – Instalación con prototipo Aquacol en PCB (1) Figura 105 - Instalación con prototipo Aquacol en PCB (2) 70 5.2. Adquisición y almacenamiento de datos 5.2.1. Almacenamiento local A continuación se muestra un fragmento del archivo CSV de la microSD encargado de almacenar las lecturas de forma local. Las medidas se toman cada media hora. Figura 106 – Lecturas almacenadas en un archivo CSV de la microSD 71 5.2.2. Almacenamiento en base de datos En este caso se muestran las lecturas almacenadas en la base de datos remota, también tomadas cada media hora. Para su visualización se utiliza ElephantSQL. Figura 107 – Información de la base de datos visualizada con ElephantSQL (1) Figura 108 - Información de la base de datos visualizada con ElephantSQL (2) 72 5.2.3. Evolución diaria de las lecturas Para ilustrar la evolución de los parámetros de la instalación se graficaron las medidas obtenidas.a lo largo de un día completo, obervandose comportamientos razonables: 1. La temperatura del agua cae hasta los 24 grados a las 7:00am, alcanzando un máximo de 38 grados aproximadamente sobre las 6 de la tarde. 2. Como es lógico, con la temperatura ambiente ocurre algo similar, alcanzando su valor máximo unas horas antes con respecto a la temperatura de agua. Se observa la diferencia de temperatura entre el sensor ambiental alojado en el interior de la instalación (t1) y en el exterior (t2). 3. La humedad relativa presenta un comportamiento inverso al de la temperatura ambiente, obtiendo valores mínimos cuando la temperatura alcanza sus valores máximos. En este caso también se observa la diferencia de humedad entre el sensor ambiental alojado en el interior de la instalación (HR1) y en el exterior (HR2). 4. El valor del pH se va reduciendo a lo largo del día debido a la actividad de los peces y al aumento de la temperatura. Figura 109 – Evolución diaria de la temperatura del agua en el tanque Figura 110 – Evolución diaria del pH 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 Temperatura (ºC) Hora (hrs) Evolución diaria de la temperatura del agua 5,6 5,7 5,8 5,9 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 0 5 10 15 20 25 pH Hora (hrs) Evolución diaria del pH 79 8. CONCLUSIONES Se ha logrado desarrollar un sistema de monitorización y control de bajo coste para una instalación acuapónica utilizando dispositivos económicos y de buenas prestaciones que que permiten controlar el sistema de forma precisa, cumpliendo con los objetivos y requisitos establecidos en el proyecto. A excepción de los problemas surgidos, se ha logrado una adquisición de datos en tiempo real, obteniendo lecturas precisas de los sensores. Además, se ha implementado un sistema de almacenamiento de datos en la nube utilizando un servicio de bases de datos gratuito. Se ha optimizado el diseño del hardware permitiendo incluir todos los componentes y dispositivos en una única placa, incorporando una pantalla para monitorizar el estado de la instalación en tiempo real. Este prototipo es la primera versión de un producto que podría promover y facilitar la implantación de cultivos acuapónicos de bajo coste en diferentes regiones. 80 REFERENCIAS (CENADAC), P. C. (2015). Técnicas de acuaponía. AEMA. (2020). Obtenido de https://aemahispanica.com/actualidad/tecnicas-hidroponicas/ Cáceres, G. P. (2021). Tesis Doctoral. Caracterización y optimización de la producción de alimentos a través de sistemas acuapónicos a pequeña escala. Comparativa ESP32 y Arduino. (s.f.). Obtenido de elosciloscopio.com: https://elosciloscopio.com/comparacion-arduino-vs-esp8266-vs-esp32/ DFRobot. (s.f.). Sensor de conductividad eléctrica DFR0300. Obtenido de https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Analog_Electrical_Conductivity_Sensor___Meter_V2__K=1__SK U_DFR0300 DFRobot. (s.f.). Sensor de oxígeno disuelto SEN0237. Obtenido de https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Analog_Dissolved_Oxygen_Sensor_SKU_SEN0237 DFRobot. (s.f.). Sensor pH SEN0169. Obtenido de https://wiki.dfrobot.com/Analog_pH_Meter_Pro_SKU_SEN0169 Diego Ramírez, D. S. (2008). LA ACUAPONÍA: UNA ALTERNATIVA ORIENTADA AL DESARROLLO SOSTENIBLE. Obtenido de https://revistas.unimilitar.edu.co/index.php/rfcb/article/view/2230/1937 ESP32 ADC Tutorial. (s.f.). Obtenido de https://deepbluembedded.com/esp32-adc-tutorial-read-analog-voltagearduino Espressif. (s.f.). Libraries and datasheets ESP32. Obtenido de https://docs.espressif.com/projects/arduinoesp32/en/latest/libraries.html García, S. (2021). diariodelanzarote.com. 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Obtenido de https://randomnerdtutorials.com/how-to-install-mosquitto-broker-on-raspberry-pi/ Raspberry Pi. (s.f.). Autorun Python scripts using systemd. Obtenido de https://www.raspberrypispy.co.uk/2015/10/how-to-autorun-a-python-script-on-boot-using-systemd/ Sensores de oxígeno. (2023). Obtenido de https://distron.es/sensor-oxigeno-caracteristicas/ University of Michigan. (s.f.). Sensores de pH y viscosidad. Obtenido de https://espanol.libretexts.org/Ingenieria/Ingenier%C3%ADa_Industrial_y_de_Sistemas/Libro%3A_Din %C3%A1mica_y_Controles_de_Procesos_Qu%C3%ADmicos_(Woolf)/03%3A_Sensores_y_Actuad ores/3.07%3A_Sensores_de_pH_y_Viscosidad 81 Wikipedia. (s.f.). Acuaponía. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Acuapon%C3%ADa Wikipedia. (s.f.). Hidroponía. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Hidropon%C3%ADa 82 ANEXO 1. Desarrollo hardware 1.1. Esquemático Figura 114 – Esquemático electrónico 83 1.2. Placa de circuito impreso (PCB) Figura 115 – Capa serigráfica superior de la PCB Figura 116 – Routing en capa superior de la PCB 84 Figura 117 – Routing en capa inferior de la PCB 2. Desarrollo software 2.1. Código Arduino de adquisición de datos // ***** IPORTACI�"N DE LIBRERÍAS ***** // #include "Arduino.h" // Librería Arduino [Arduino] #include "esp_adc_cal.h" // Librería de calibración del ADC [Arduino] #include "WiFi.h" // Librería para comunicación WIFI [Hristo Gochkov] #include "PubSubClient.h" // Librería para comunicación MQTT [Nicholas O'Leary] #include "LiquidCrystal_I2C.h" // Librería display LCD [Frank de Brabander] #include "EEPROM.h" // Librería memoria EEPROM [Ivan Grokhotkov] #include "OneWire.h" // Librería OneWire para los sensores DS18B20 [Paul Stoffregen] #include "DallasTemperature.h" // Librería para lectura de sensores DS18B20 [Miles Burton] #include "DFRobot_ESP_EC.h" // Librería para lectura sensor de conductividad [Mickael Lehoux (Greenponik)] #include "RTClib.h" // Librería del reloj RTC [Adafruit] #include "DHT.h" // Librería para sensores ambientales DHT22 [Adafruit] 85 #include "FS.h" // Librería para gestión de ficheros [Hristo Gochkov, Ivan Grokhtkov] #include "SD.h" // Libraría para gestión de memoria SD [Arduino, SparkFun] #include "SPI.h" // Librería para bus comunicación SPI [Hristo Gochkov] // ***** DEFINIC�"N DE CONSTANTES ***** // // Establecer pines #define ph_pin 36 // Pin sensor pH (analógico) #define ec_pin 39 // Pin sensor de conductividad electrica (analógico) #define o2_pin 34 // Pin sensor oxigeno disuelto (analógico) #define dht22_pin1 26 // Pin sensor DHT22 numero 1 (digital) #define dht22_pin2 27 // Pin sensor DHT22 numero 1 (digital) #define float_sup_pin 13 // Pin del sensor float switch superior (digital) #define float_inf_pin 5 // Pin del sensor float switch inferior (digital) #define ev_pin 9 // Pin del canal 1 del relé #define bomb_pin 10 // Pin del canal 2 del relé #define onewire_pin 16 // Pin de bus OneWire // Parámetros del ADC y calibración #define RESOL 4095 // Resolución ADC ESP32 (12 bits) #define VREF 3300 // Tensión de trabajo del ADC ESP32 (3.3V) #define MODE_CALIBRATION_O2 1 // MODE_CALIBRATION_O2 = 0 --> Calibracion O2 a un punto / MODE_CALIBRATION = 1 --> Calibracion O2 a dos puntos #define CAL1_V (800) // Tensión de calibración primer punto en mV (O2) #define CAL1_T (15.75) // Temperatura de calibración primer punto en ºC (O2) [HIGH TEMPERATURE] #define CAL2_V (630) // Tensión de calibración segundo punto en mV (O2) #define CAL2_T (5.20) // Temperatura de calibración segundo punto en ºC (O2) [LOW TEMPERATURE] #define offset_ph 0.60 // Offset para la medida del pH // Periodos de ejecución de tareas y límites de tiempo #define T_MQTT_ctrl 300000 // Periodo de envío del byte de control para mantener la comunicación MQTT #define T_adq 2500 // Periodo de lectura de sensores #define T_show 5000 // Periodo de actualización del LCD #define T_send 1800000 // Periodo de almacenamiento de datos en la SD y envío MQTT #define T_level_ctrl 1000 // Periodo de ejecución del control de nivel #define T_ph_ctrl 60000 // Periodo de ejecución del control de Ph #define T_1hour 3600000 // Periodo para comprobar el nivel de pH (control de pH) --> 1 hora #define T_bomb_ON 600000 // Periodo de tiempo activo para la bomba (control de pH) --> 10 minutos #define mqtt_conn_lim 15000 // Límite de tiempo de espera para la conexión MQTT #define wifi_conn_lim 15000 // Límite de tiempo de espera para la conexión WiFi #define MSG_BUFFER_SIZE 100 // Longitud máxima del búffer para envío de trama por MQTT #define Ph_ref 8.5 // Referencia para el control de ph 86 // ***** GENERACI�"N DE OBJETOS ***** // WiFiClient espClient; // Objeto de cliente wifi PubSubClient client(espClient); // Publicador subscriptor MQTT LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); // Objeto para display LCD DFRobot_ESP_EC ec; // Objeto para sensor de conductividad RTC_DS3231 rtc; // Objeto para el reloj RTC DHT dht_1(dht22_pin1, DHT22); // Objeto para sensor ambiental DHT22 numero 1 DHT dht_2(dht22_pin2, DHT22); // Objeto para sensor ambiental DHT22 numero 2 OneWire ourWire(onewire_pin); // Objeto OneWire. Bus OneWire en pin 16 DallasTemperature DS18B20(&ourWire); // Objeto para sensores de temperatura DS18B20 en bus OneWire // ***** DEFINICI�"N DE VARIABLES GLOBALES ***** // unsigned long timestamp; // Marca de tiempo para la adquisición de datos de sensores (almacenamiento en BD y SD) unsigned long prev_time1, prev_time2, prev_time3; // Variables para almacenar instantes de tiempo anteriores unsigned long prev_time4, prev_time5, prev_time6; unsigned long prev_time7, prev_time8, prev_time9; unsigned long prev_time10; float Ta1; // Temperatura ambiente 1 (DHT22 1) float Ha1; // Humedad ambiente 1 (DHT22 1) float Ta2; // Temperatura ambiente 2 (DHT22 2) float Ha2; // Humedad ambiente 2 (DHT22 2) float Temp1; // Temperatura agua 1 (DS18B20 1) float Temp2; // Temperatura agua 2 (DS18B20 2) float pH; // Valor de pH float ecc; // Valor de conductividad eléctrica float o2; // Valor de oxígeno disuelto int level_sup, level_inf; // Estado de sensores float switch int flag_LCD = 0; // Bandera para alternar la impresión de los datos en el LCD int flag_PH = 0; // Bandera que indica que la bomba del control de pH está activa int cont2 = 0; // Contador para el cálculo de valores medios char ssid[50]; // Nombre de la red wifi char password[50]; // Clave de la red wifi char lin = 0; // Bandera para lectura de los parámetros del wifi char caracter = 0; // Carácter leído de los parámetros del wifi uint8_t cont = 0; // Contador para lectura de los parámetros del wifi int a = 0; // Bandera para indicar si ya se leyeron los credenciales del WiFi de la SD const char* mqtt_server = "192.168.1.105"; // Dirección IP del broker local (Raspberry Pi) //const char* mqtt_server = "broker.emqx.io"; // Broker remoto MQTT ("broker.emqx.io") //const char* mqtt_server = "test.mosquitto.org"; // Broker remoto MQTT ("test.mosquitto.org") char msg[MSG_BUFFER_SIZE]; // Búffer de envío de datos por MQTT char ctrl_msg[] = "C"; // Variable de control para MQTT 87 esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; // Variable para almacenar las carcaterísticas del ADC float Avg[9] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; // Array de valores medios de lectura de sensores // ***** DEFINICI�"N DE FUNCIONES ***** // ///////////////////////////////// //// Envío de datos por MQTT //// ///////////////////////////////// void Send_MQTT(){ // Todas las medidas se concatenan en un string, separándolas con una barra, y se encapsulan en un array de tipo char ( msg[MSG_BUFFER_SIZE] ) snprintf (msg, MSG_BUFFER_SIZE, "%lu/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%.2f/%d/%d", timestamp, Avg[0], Avg[1], Avg[2], Avg[3], Avg[4], Avg[5], Avg[6], Avg[7], Avg[8], level_sup, level_inf); // Se publica "msg" bajo el topic "aquacol" client.publish("aquacol", msg); Serial.println("MSG enviado por MQTT"); } /////////////////////////////////////////////////////// //// Lectura de archivo de SD (Configuración WIFI) //// /////////////////////////////////////////////////////// void readFile(fs::FS &fs, const char * path){ Serial.printf("Reading file: %s\n", path); File file = fs.open(path); if(!file){ Serial.println("Failed to open file for reading"); return; } // Lectura del SSID y contraseña del WiFi del archivo de texto alojado en la SD while(file.available()){ caracter = (char)file.read(); if(caracter == '/'){ lin = 1; cont=0; continue; } if(lin == 0){ ssid[cont] = caracter; cont++; } else{ password[cont] = caracter; cont++; } } cont=0; file.close(); } ///////////////////////////////////////////// //// Escritura de datos en archivo de SD //// ///////////////////////////////////////////// void writeFile(fs::FS &fs, const char * path, String message){ Serial.printf("Escribiendo en archivo: %s\n", path); File file = fs.open(path, FILE_WRITE); // Abrir el archivo en modo escritura if(!file){ // Error abriendo archivo. Salir de la función 88 Serial.println("Fallo abriendo archivo"); return; } if(file.println(message)){ // Archivo abierto correctamente. Escribir datos. Serial.println("Archivo escrito correctamente"); // Datos escritos correctamente } else{ Serial.println("Fallo al escribir en archivo"); // Fallo en escritura de datos } file.close(); } /////////////////////////////////////// //// Añadir datos en archivo de SD //// /////////////////////////////////////// void appendFile(fs::FS &fs, const char * path, String message){ Serial.printf("Appending to file: %s\n", path); File file = fs.open(path, FILE_APPEND); // Abrir el archivo en modo añadir datos if(!file){ // Error abriendo archivo. Salir de la función Serial.println("Failed to open file for appending"); return; } if(file.println(message)){ // Archivo abierto correctamente. Añadir datos Serial.println("Message appended"); // Datos añadidos correctamente } else{ Serial.println("Append failed"); // Fallo añadiendo datos } file.close(); } ////////////////////////// //// Obtención del pH //// ////////////////////////// float Get_pH_value(){ float pH_raw = 0; // Valor de salida del ADC para el pH (0-4095) float pH_voltage; // Tensión de salida del ADC para el pH (mV) float pH_value; // Valor medido de pH int buf[10], t; // Buffer de 10 muestras de pH y variable temporal for(int i = 0; i < 10; i++){ // Lectura de 10 valores almacenándolos en array buf[] buf[i] = analogRead(ph_pin); // Lectura señal analógica de pH delay(10); } for(int i = 0; i < 9; i++){ // Ordenar el array en orden ascendente for(int j = i + 1; j < 10; j++){ if(buf[i] > buf[j]){ t = buf[i]; buf[i] = buf[j]; buf[j] = t; 95 lcd.setCursor(0,1); lcd.print(">>> Tiempo superado"); lcd.setCursor(0,2); lcd.print(">>> MQTT ERROR"); delay(2000); Serial.println("Tiempo superado. Conexion MQTT no establecida"); // Tiempo superado. Conexión MQTT no establecida return; // Salir de setup_mqtt } } client.loop(); // Conexión MQTT establecida correctamente lcd.setCursor(0,1); lcd.print(">>> MQTT OK"); delay(2000); Serial.println("Conexion MQTT establecida"); } ///////////////////////////////////////////////// //// Iniciar instantes de tiempos anteriores //// ///////////////////////////////////////////////// void init_times(){ prev_time1 = millis(); // Todas la variables de tiempo anterior se inicializan con el tiempo actual prev_time2 = millis(); prev_time3 = millis(); prev_time4 = millis(); prev_time5 = millis(); prev_time6 = millis(); prev_time7 = millis(); prev_time8 = millis(); prev_time9 = millis(); prev_time10 = millis(); } ////////////////////////////////////////// //// Configuración e inicializaciones //// ////////////////////////////////////////// void setup(){ Serial.begin(115200); // Establecer baudrate para el puerto serie init_times(); // Inicizaliza las variables de instantes de tiempo anterior setup_devices(); // Configuración de sensores y actuadores setup_sd(); // Configuración tarjeta SD setup_wifi(); // Configuración de la conexión wifi setup_mqtt(); // Configuración de la conexión MQTT } //////////////////////// //// Bucle infinito //// //////////////////////// void loop(){ // Adquisición de datos de sensores if(millis() - prev_time1 > T_adq){ prev_time1 = millis(); Get_Sensors(); } // Visualizar medidas a través del display LCD if(millis() - prev_time2 > T_show){ prev_time2 = millis(); Show_LCD(); } // Almacenamiento de datos en SD y envío MQTT para BD if(millis() - prev_time3 > T_send){ prev_time3 = millis(); Get_Average(); 96 Write_SD(); // Comprobar conexión WiFi y reconectar if(WiFi.status() != WL_CONNECTED){ setup_wifi(); } setup_mqtt(); // Reconectar MQTT Send_MQTT(); // Envío de datos por MQTT for(int i=0; i<9; i++){ // Resetear array de valores medios Avg[i] = 0; } } // Envío de byte de control por MQTT para mantener la conexión if(millis() - prev_time10 > T_MQTT_ctrl){ prev_time10 = millis(); client.publish("aquacol", ctrl_msg); Serial.println("control msg"); } // Automatismo para el control de nivel de agua if(millis() - prev_time4 > T_level_ctrl){ prev_time4 = millis(); Level_Control(); } // Automatismo para el control de pH if(millis() - prev_time5 > T_ph_ctrl){ prev_time5 = millis(); Ph_Control(); } } 2.2. Código Python de almacenamiento de datos #!usr/bin/python3 ######################################## # Importación de paquetes y librerías import paho.mqtt.client as mqtt # Librería cliente MQTT import threading # Librería para ejecución de hilos en paralelo import psycopg2 # Librería de gestión de bases de datos PostgreSQL ######################################## # Credenciales de la base de datos data_base = "vkpgnbux" # Nombre de la base de datos user = "vkpgnbux" # Usuario password = "rkrbRKe9yjudkRFA3dOU_t9ZGF2qd_mm" # Contraseña host = "rogue.db.elephantsql.com" # Dirección del host table_name = "aquacol_data" # Tabla para almacenar los datos de AQUACOL ######################################## # Datos para la conexión MQTT client_id = "RaspberryPi" # Identificador del cliente broker_address = "localhost" # Dirección del bróker local (remotos: "broker.emqx.io" o "test.mosquitto.org") broker_port = 1883 # Puerto de conexión topic = "aquacol" # Topic 97 ######################################## # Definición de variables globales global data # Variable para almacenar las lecturas recibidas por MQTT global msg_received # Bandera que avisa de la llegada de un mensaje MQTT msg_received = 0 # Inicialmente bajada ######################################## # Hilo de comunicación MQTT def Thread_MQTT(): # Función de conexión y suscripción al topic def on_connect(client, userdata, flags, rc): print("Conexion establecida. Cliente: ", client_id) client.subscribe(topic) # Función de interrupción para recepción de mensajes def on_message(client, userdata, message): global msg_received, data msg = message.payload.decode("utf-8") # Decodifica mensaje top = message.topic # Topic del mensaje if(len(msg) == 1): print("Control MSG") # Mensaje de control else: # Definición de strings para almacenar lectura de sensores T1 = ''; T2 = ''; PH = ''; O2 = ''; EC = '' Ta1 = ''; Ha1 = ''; Ta2 = ''; Ha2 = ''; Tstamp = '' Lev_Sup = ''; Lev_Inf = '' cont = 0 # Contador para deserializar el mensaje # Deserialización del mensaje (lecturas separas por "/") for i in msg: if i == '/': cont += 1 elif cont == 0: Tstamp += i elif cont == 1: T1 += i elif cont == 2: T2 += i elif cont == 3: PH += i elif cont == 4: O2 += i elif cont == 5: EC += i elif cont == 6: Ta1 += i elif cont == 7: Ha1 += i elif cont == 8: Ta2 += i elif cont == 9: Ha2 += i elif cont == 10: Lev_Sup += i elif cont == 11: Lev_Inf += i else: print('ERROR al deserializar trama MQTT') data = [Tstamp, T1, T2, PH, O2, EC, Ta1, Ha1, Ta2, Ha2, Lev_Sup, Lev_Inf] # Almacenar lecturas en array de strings for i in range (len(data)): # Covertir en array de floats data[i] = float(data[i]) msg_received = 1 # Aviso de llegada de mensaje MQTT print("\nTrama recibida: ") print(data) print("Topic: " + top) # Generar objeto cliente client = mqtt.Client(client_id) # Función de conexión con cliente y suscripción al topic client.on_connect = on_connect 98 # Función de interrupción al recibir un mensaje client.on_message = on_message # Conexión con broker MQTT client.connect(broker_address, broker_port, keepalive=3600) # Bucle infinito client.loop_forever() ######################################## # Hilo de gestión de base de datos def Thread_DB(): global msg_received msg_received = 0 # Función de conexión con la base de datos def DB_conexion(db, usr, passwd, host): conexion = psycopg2.connect( database=db, user=usr, password=passwd, host=host) cursor = conexion.cursor() return conexion, cursor # Función para crear la tabla necesaria en la base de datos def Create_table(): # Generar consulta SQL (crear tabla) sql = "CREATE TABLE " + table_name + "(\ ID SERIAL PRIMARY KEY,\ TIMESTAMP bigint,\ T1 real,\ T2 real,\ PH real,\ O2 real,\ EC real,\ Ta1 real,\ Ha1 real,\ Ta2 real,\ Ha2 real,\ Level_sup int,\ Level_inf int);" cursor.execute(sql) # Ejecutar consulta SQL conexion.commit() # Función para insertar datos en la tabla def Insert_data(): sql = "INSERT INTO " + table_name + "(TIMESTAMP, T1, T2, PH, O2, EC, Ta1, Ha1, Ta2, Ha2, Level_sup, Level_inf)\ VALUES (%s, %s, %s, %s, %s, %s, %s, %s, %s, %s, %s, %s);" cursor.execute(sql, data) # Ejecutar consulta SQL conexion.commit() # Bucle infinito de recepción y almacenamiento de datos while(True): # Si llega un nuevo mensaje MQTT: if (msg_received == 1): # Abrir conexión con la base de datos conexion, cursor = DB_conexion(data_base, user, password, host) # Insertar lecturas en la tabla Insert_data() # Cerrar conexión 99 conexion.close() # Aviso de mensaje recibido y almacenado msg_received = 0 ############################ # Función principal if __name__ == "__main__": # Crear hilo para la comunicación MQTT x = threading.Thread(target = Thread_MQTT) # Crear hilo para la conexión BD y = threading.Thread(target = Thread_DB) # Ejecutar hilo para la comunicación MQTT x.start() # Ejecutar hilo para la conexión BD y.start()