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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
versión On-line ISSN 2071-0054
Rev Cie Téc Agr vol.31 no.3 San José de las Lajas jul.-set. 2022 Epub 01-Sep-2022
ARTÍCULO ORIGINAL
Ingeniería de Software para Mini-Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial e Interconectividad IoT
IUniversidad Autónoma Chapingo, Texcoco de Mora, Edo. México, México
IIUniversidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
La ingeniería de software permite la planeación ordenada de los flujos de información y algoritmos para llegar al resultado deseado a través de la implementación de una metodología robusta y sistemática. Por otro lado, la tendencia Indoor, es un concepto tecnológico que ha evolucionado con la entrada del siglo XXI, con el objetivo de promover la agricultura urbana, periurbana y rural, fomentando agricultura en formato vertical en cualquier parte, desde un departamento hasta un invernadero. En el trabajo se exponen los resultados de investigación de ingeniería de software para una Mini-Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial (mini-PFAL: Plant Factory with Artificial Lighting), tecnificada con múltiples capas de software para el control de parámetros que intervienen en el crecimiento de cultivos, como son la intensidad luminosa, temperatura, humedad, espectro luminoso, ciclos de riego/día y otros. Se exponen las estrategias de diseño para la creación de la arquitectura de software en sus diferentes niveles. Aplicando la metodología de diseño de software, se ordena la estructura del proceso de diseño, desde el análisis de requerimientos hasta el diseño de interfaz. El producto final resulta un sistema PFAL IoT que se interconecta vía Bluettoth y WiFi con el SmartPhone, a su vez vía puerto USB a una aplicación GUI Visual Studio, teniendo una data WhereHosue que administra la información de las variables en una base de datos local que gestiona la información en una página SharePoint que, a su vez, vincula con Access y un Dashboard, resultando un sistema PFAL inteligente.
Palabras-clave: Fabrica de Plantas; Indoor; Internet de las cosas; Cultivos verticales; Diseño software
INTRODUCCIÓN
El modelo de agricultura vertical es propuesto en 1990 por el biólogo Dr. Dickson Despommier según Chamberlain, (2007), quien acuña este término a la estrategia de siembra realizando el aprovechamiento de espacios para maximizar las áreas de cultivos. Con la entrada de la era de la agricultura 4.0 y el acceso con menores costos a infraestructuras tales como los dispositivos LED’s, sensores, procesadores, etcétera, la agricultura vertical se ha orientado a un término llamado Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial (Plant Factory with Artificial Lighting: PFAL), definida por Kozai et al. (2015) como: “Estantería de múltiples cultivos con lámparas eléctricas en cada estante y posicionados verticalmente y que cuenta con otros equipos y dispositivos necesarios, tales como: acondicionadores y ventiladores de circulación de aire; unidades de suministro de CO2 y soluciones de nutrientes; unidades de control del medioambiente”. El mismo autor plantea que posicionar más cultivos verticalmente, incrementa la eficiencia del uso del suelo, así como que, aunque las lámparas fluorescentes han sido fundamentalmente usadas en las PFAL, en la actualidad las lámparas de diodos emisores de luz (LED), están atrayendo una gran atención para estos usos Kozai et al. (2016).
El diseño automatizado, las TIC’s, BigData, Inteligencia Artificial y todos los nuevos fenómenos tecnológicos que están revolucionando la actualidad científico-técnica, se vinculan de forma correlacionada con el diseño de los PFAL, siendo más que nunca un factor de diseño sumamente importante el software, que les aporta un valor agregado tanto en el peso económico como de diseño de ingeniería en sistemas computacionales.
El Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE) define la Ingeniería de Software como: 1) La aplicación de un enfoque sistemático, disciplinado y cuantificable al desarrollo, operación y mantenimiento de software; es decir, la aplicación de la ingeniería al software; 2) El estudio de enfoques según el punto 1 (IEEE, 2021).
Por otro lado, Pressman (2010) desglosa en cuatro ejes rectores la ingeniería de software: Herramientas; Métodos; Procesos; Compromiso de Calidad, donde los procesos forman parte de la administración del proyecto para generar los reportes, informes, modelos, escritos, etc. Por otro lado, los métodos son las actividades prácticas de modelación, construcción, programación y afinamiento del proyecto, finalmente las herramientas son un vínculo entre los procesos y los métodos que permiten la asistencia de los programas que permitirán la integración del entorno del proyecto.
De este modo se genera una sinergia entre la importancia de la Ingeniería de Software y diversas aplicaciones en la agricultura, tales como: Aplicaciones de Escritorio; App’s Móviles para Smartphone en sistemas Android y iOS; WebApp’s; SpaceApp’s; Servicios de internet y gestores de bases de datos dedicados a la agricultura.
Todas estas plataformas están basadas en estructuras de software y soportadas en multilenguaje que les permiten programar sus funciones operativas. Asimismo, la correlación arquitectónica de su diseño se basa en la aplicación correcta de las metodologías de Ingeniería de Software según Zielinski & Szmuc (2005); Pressman (2010); Serna (2010), lo que hoy en día está tomando mayor terreno en el diseño de programas computacionales para aplicaciones en la agricultura en todo su contexto.
El desarrollo de la agricultura vertical según Farminova Plant Factory (2021), fábricas verdes o la tendencia Indoor, se encuentra concentrado en su mayoría en países líderes en este campo, tales como: Canadá, Japón, Taiwán, China, Estados Unidos, Países Bajos y algunos países europeos (Tsukagoshi & Yutaka, 2016). No obstante, las metodologías de Ingenierías de Software, en el ámbito de los PFAL, no son casi publicadas o la información es escasa. Estos países lideran el diseño, construcción e investigación de los PFAL mientras que otros países, como los latinoamericanos, se encuentran adentrándose en procesos de investigación según Ocampo et al. (2014) para analizar su viabilidad, lo cual muestra el atraso de la agricultura urbana, periurbana y popular, no aprovechándose las ventajas del uso de las TIC’s y otras herramientas tecnológicas en la era de la agricultura 4.0, lo cual conlleva al ejercicio de la reflexión sobre la importancia que están tomando hoy en día las AgroApp’s (por así nombrarlas) en el nicho de la agricultura moderna.
En este trabajo se exponen los resultados de una investigación que se ha trazado como objetivo general: Diseñar software para control y monitoreo de sistema de cultivos verticales Mini-PFAL, para la producción a baja escala de hortalizas agrícolas.
Dicho sistema cuenta con programación orientada, hardware basado en sistemas microcontrolados, que operan sensores y actuadores. De igual forma establecen interconexión de datos a una PC, Interfaz Gráfica de Usuario para monitoreo de los variables procesadas, interconexión a bases de datos (BD) local para el resguardo de información e interconexión inalámbrica vía Bluetooth y WIFI.
Asimismo, se trazó como objetivos específicos los siguientes:
Diseñar algoritmos de control de lazo cerrado de iluminación y riego en sistemas micro-controlados;
Diseñar Sistema de Gestión de Bases de Datos (SGBD) Local-Host con acceso a Internet;
Diseñar algoritmos de retroalimentación de crecimiento de masa vegetal, temperatura, intensidad luminosa y humedad relativa;
Interconectar BD local con la Interfaz Gráfica de Usuario (GUI), para control del sistema de cultivos verticales;
Diseñar control inalámbrico Bluetooth con aplicación móvil basada en Android Studio;
Diseñar conectividad WIFI para la gestión de datos en un Host en la nube.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para el análisis de los requerimientos para el diseño de software para control y monitoreo de sistema de cultivos verticales Mini-PFAL, para la producción a baja escala de hortalizas agrícolas, se ha tenido en cuenta tanto las características operacionales, como el plan del proyecto y el modelo de análisis.
En cuanto a las características operacionales se tienen en cuenta las siguientes:
Programación de Interfaz gráfica de Usuario de alto nivel en lenguaje Visual Basic (VB);
Programación de microcontroladores (MCU) para instrumentación del sistema, con panel TFT 3.5” con resolución de 320x480 RGB e interfaz TouchPad;
Programación aplicación móvil en lenguaje JAVA para control de sistema con conectividad Bluetooth;
Diseño de Base de Datos con gestor de Access y SQL Server e interconexión remota con aplicación de SharePoint;
Implementación de Dashboard en Power Apps para interconexión con el servicio de SharePoint;
En el plan del proyecto se tiene en cuenta el trazado de requerimientos de sistemas bajo los siguientes diagramas:
Aplicación de escritorio: Diagrama de flujo, diagrama UML y diseño de propuesta de formularios;
Aplicación de MCU’s: Diagrama de flujo y pseudocódigo;
Aplicación Móvil: Diagrama UML y diseño de propuesta de formularios
Bases de Datos: Diagramas de Entidad-Relación
Para configurar el modelo de análisis de la propuesta de sistema, se opta por implementar un diagrama de flujo de datos (DFD), recabando la información de las características operativas el resultado el DFD Nivel 0 como se muestra en la figura 1.
La metodología de diseño propuesta para Mini-PFAL se muestra en el siguiente diagrama:
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Diagrama de Flujo de Trabajo Operativo de Control del Sistema
Los diagramas de flujo de trabajo son herramientas para realizar el trazado del flujo de información, colocando los actores en canales divididos por bloques e interconectando los flujos de datos, para de ese modo representar el comportamiento del sistema. Según Pressman (2010), “…Un diagrama de actividades es similar a uno de flujo, y utiliza rectángulos redondeados para denotar una función específica del sistema, flechas para representar flujo a través de éste, rombos de decisión para ilustrar una ramificación de las decisiones”. Este mismo autor plantea que: “Los casos de uso, junto con los diagramas de actividades y de canal, están orientados al procedimiento. Representan la manera en la que los distintos actores invocan funciones específicas (u otros pasos del procedimiento) para satisfacer los requerimientos del sistema.”
En el sistema Mini-PFAL Networking existen cuatro actores: Usuario, PFAL, PC y SmartPhone.
El usuario es el actor principal que se interconecta en primera instancia con el Sistema Embebido instalado en el PFAL, de allí la comunicación entre la PC y el SmartPhone es seleccionada por el usuario. El siguiente diagrama (Figura 2) describe la forma operativa del comportamiento del flujo de información del sistema:
Modelo del Sistema de Mini-PFAL
Realizando la conjunción de modelado basado en clases y los diagramas de canal de modelo de caso de uso, se procedió a realizar el mapeo y la estructuración del diagrama representativo general de la propuesta del proyecto, el resultado se puede apreciar en la Figura 3, reflejándose el diseño de la interfaz a través de un diagrama de lenguaje unificado de modelado (UML).
FIGURA 3 Modelo UML de diseño de la interfaz de Sistema de Cultivos Verticales Mini-PFAL (Autoría Propia)
Como se puede observar el diagrama de canal está dividido en cuatro secciones, lo que conjunta los análisis de requerimientos realizados en el anteproyecto, la Tabla 1 explica de forma detallada los agentes que interviene en el Modelo UML propuesto para el diseño de la arquitectura de programación.
TABLA 1 Descripción operativa de los bloques principales del Mini-PFAL
| Bloque | Descripción Operativa de Flujo de Información |
|---|---|
| Este bloque tiene como eje central la clase |
|
| Este bloque es el núcleo central de arranque, que congrega el inicio y fin de los 3 bloques restantes, donde se estructura la programación orientada a hardware, a través del uso de lenguaje C++ para la programación de un Atmega 2650 (Microchip, 2021). El bloque La clase
Temperatura: Variable a medir °C, implementando un integrado HTU21D por protocolo de comunicación I2C; Humedad: Variable a medir %RH; integrado dentro del mismo integrado HTU21D; Luminosidad: Variable a medir Lx, implementando un integrado BH1750 por protocolo de comunicación I2C. La clase El bloque de agregación de |
|
| Como clase central en este bloque se encuentra |
|
| WebService | El eje principal es la clase |
Diseño de Despliegue Formato de descriptor
En la metodología de Ingeniería de Software, según Pressman (2010), los elementos del diseño del despliegue indican la forma en la que se acomodarán la funcionalidad del software y los subsistemas dentro del ambiente físico de la computación que lo apoyará.
La arquitectura de flujo de información, en el aspecto físico permite la trazabilidad del formato descriptor que se presenta en la Figura 4:
FIGURA 4 Diagrama de despliegue del formato descriptor del sistema de cultivos verticales Mini-PFAL (Autoría Propia).
Se puede observar que en su conjunto el sistema está integrado por cuatro nodos, donde se puede analizar la interconexión de los componentes-nodos en el flujo de información de las capas de procesamiento de la información alámbrica e inalámbrica.
Diagrama electrónico del sistema embebido del Mini-PFAL
La capa de núcleo central (Figura 5) compuesta por la arquitectura electrónica, está diseñada por medio de la implementación de un microcontrolador Atmega 2560 Microchip (2021), el cual funge como administrador del control de tráfico de información, operando bajo un esquema de maestro para realizar la petición de las variables a los esclavos (módulos sensores, Figura 7), además de procesar y ordenar los datos de solicitud y gestionar la comunicación puerto COM-USB (Figura 6) por medio de un driver PL2303 (Prolific, 2022), intercomunicación bidireccional de comunicación WIFI por medio de un Esp8266 (ESPRESSIF, 2022) vía Serial, conectividad Bluetooth implementando un módulo HC-06 Serial Olimex (2021), y algunas salidas de control PWM y digitales para el control de la iluminación LED, actuadores de riego y de desplazamiento lineal del Mini-PFAL, lo cual se puede observar en el diagrama electrónico de la Figura 5, que se presenta a continuación:
Como se mencionó anteriormente, el chip PL2303 gestiona la comunicación USB a RS232 Bridge Controller, de este modo el PFAL logra conectarse vía puerto COM con la aplicación de escritorio para Windows de Visual Studio y con ello gestiona de forma bidireccional el tráfico de información de las variables de control (°C, %RH y Lux) para ser administradas con el Conector Abierto de Base de Datos ODBC de VB y administrar la información a la Base de Datos Local (Figura 6).
FIGURA 6 Diagrama electrónico del sistema de comunicación USB-RS232 para la vínculación con la PC y actualización de firmware (Autoría Propia).
Los módulos sensores (esclavos), se intercomunican vía protocolo RS-232 con el módulo principal (maestro). La petición se realiza bajo el algoritmo computacional que se muestra más adelante, donde el maestro por medio de su algoritmo, gestiona el tráfico de información y lo administra a los dispositivos alámbricos o inalámbricos, dependiendo de la conexión en que se realiza la solicitud (Figura 7). Como núcleo principal se observa el Atmega 328p que recibe la solicitud del maestro vía Serial, posteriormente se interconecta vía I2C para dar lectura a los sensores HTU21D y BH1750, recolectando de este modo las variables de temperatura, humedad y luminosidad, para ser entregadas en formato de texto al maestro vía Serial.
Finalmente, el control del sistema embebido converge en una LCD TouchPad de 480x320 pixeles TFT de 3.5” (Figura 8), que ejerce la función de interfaz de salida y entrada para retroalimentar los datos bidireccionales del control y acuse de información del sistema, por medio de una interfaz gráfica visualmente atractiva y de fácil operación, lo que permite tener un menú con tres opciones: Sensores, Gráficas y Ajustes. La interfaz TouchPad permite configurar, efectuar la consulta en tiempo real de las variables operativas del invernadero vertical y realizar los gráficos de temperatura, humedad y luminosidad con un periodo de 300 muestras por día.
Diseño de nivel de componentes del sistema embebido del Mini-PFAL
Implementando un proceso de lotificación al sistema embebido, se obtiene un diagrama estructurado que traza el comportamiento de flujo del programa como se muestra en la Figura 6.
FIGURA 9 Diagrama de flujo de solicitud de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Maestro-Esclavo (Autoría Propia).
La comunicación con los sensores se logra bajo protocolo RS-232, interconectados en una red de topología tipo bus en donde se interconectan 12 módulos en paralelo a las conexiones Vcc, GND, Tx y Rx. La petición de comunicación tiene como primera parte una cabecera de dirección para realizar la solicitud a los 12 módulos sensores interconectados en el sistema. La dirección de coincidencia permite realizar la solicitud de las variables de temperatura, humedad y luminosidad, para que, así, el esclavo las retorne al maestro.
Diseño de nivel de componentes de los módulos sensores esclavos
La solicitud descrita en diagrama de flujo por parte de los módulos esclavos se puede observar en el algoritmo de la programación de los esclavos que se muestra en la Figura 10.
FIGURA 10 Diagrama de flujo de envio de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Esclavo-Maestro (Autoría Propia).
Como se puede observar, en el diagrama se revisa de forma iterativa, con el primer condicional, la presencia de paquetes en el buffer del puerto COM y, en ese mismo instante, todos los esclavos se ponen en alerta, por la naturaleza de la topología tipo bus, llegando la información a todos los esclavos, pero tan solo uno de ellos contiene la dirección de petición que depura el segundo condicional. Posteriormente, los datos se envían al maestro para ser gestionado por el algoritmo del diagrama de la figura 6, para enviar los datos vía USB, Bluetooth o WIFI respectivamente con la implementación de los bloques de clases correspondientes.
Diseño de la Interfaz de Sistema Embebido
La Interfaz Gráfica de Usuario para la operatividad principal de la máquina se basa en el control LCD TouchPad de 480x320, instalada en el panel frontal del módulo (Figura 11), el usuario puede navegar por tres menús principales de forma interactiva:
Sensores: Permite realizar la consulta de los módulos sensores interconectados en el PFAL, por la petición multiplexada en protocolo RS-232. En la respuesta Half-Duplex de petición del MCU principal, el retorno de información contiene los valores cuantificados de las variables “Temperatura”, “Humedad” y “Luminosidad”, que se despliegan en la matriz de sensores mostrados en el panel. Basta con que el usuario de clic en algún punto verde de la matriz o seleccione la opción de “Mostrar Todo” para acusar toda la información
Gráficas: Muestra los valores promedio resguardados en un ArrayList en el transcurso de 24 horas, aproximadamente se grafican 300 muestras por día
Ajustes: Accede a los ajustes principales de la máquina, como es la frecuencia lumínica, activación de los ciclos de riego, test de la máquina, etc.
CONSIDERACIONES FINALES
Como ha podido apreciarse, el presente artículo se enfoca a la aplicación de la metodología de Ingeniería de Software, siguiendo las etapas de creación, a saber: el análisis de requerimientos y el modelo de diseño, que a su vez comprende Mohapatra (2010) el diseño de datos, el diseño de arquitectura, el diseño de interfaz y el diseño de nivel de componentes.
Las etapas en su conjunto conforman los módulos de software que interactúan en las capas de multilenguaje para implementar la solución, tanto hardware (diseño electrónico aplicado), programación de WebApps, gestión de Data WhereHouse, interconectividad inalámbrica IoT, gestión de BD locales y el Hosting.
La explicación detallada de las capas de Hosting,Data Warehouse IBM (2021) y GUI no se implementa minuciosamente para términos de la exposición de resultados, dejando esta labor en la continuación de resultados de investigación a futuro. Los puntos importantes a desarrollar en la exhibición de la presente, se basa en la interconectividad de datos, el análisis de requerimientos, el modelo del diseño y, haciendo uso de los formatos de diagramas, se logró exponer las estrategias de programación empleadas para el diseño del sistema mini-PFAL.
La forma operativa de las capas de software en su conjunto de cohesión de funcionamiento dinámico se puede esbozar de mejor manera implementando la Arquitectura de Capas del Sistema como se muestra en el diagrama de la Figura 12.
FIGURA 12 Diagrama de arquitectura de capas de sistema Mini PFAL con interconectividad IoT para gestión de datos inteligente (Autoría Propia).
La sinergia interrelacionada de las capas de software que interactúan en el sistema, permite la gestión ordenada del tráfico de datos, desde la obtención de las variables hasta el despliegue de información en un “Dashboard”, con información dinámica, gráfica y depurada, con una interacción flexible e inteligente para el usuario, dando una solución técnica de la agricultura moderna, donde el nuevo agricultor del siglo XXI, se convierte en un sujeto con conocimientos técnicos en la operatividad IoT con dispositivos de agricultura inteligente, que conforman conocimientos y habilidades en la gestión y uso del BigData, IA, RA, VA, Drones, IoT, etcétera.
El conjunto de todo el proyecto en su funcionabilidad es una exposición del modelo de resultados bastante ambicioso, dado que esta subdividido en 7 partes importantes:
Análisis técnico del sistema
Análisis de diseño mecánicos aplicado
Diseño de electrónico aplicado
Sistema computacional multiplataforma
Telecomunicaciones y gestión de tráfico de información
Algoritmos de visión artificial
Modelado matemático del sistema PFAL en modo operativo
Estudio de crecimiento de cultivos, evaluación de rendimientos, nutrimental, etc.
El conjunto explicativo y detallado de todos estos aspectos requiere de una publicación más amplia, de manera que pueda desglosarse parte por parte cada uno de los componentes funcionales del sistema Mini PFAL IoT propuesto.
CONCLUSIONES
Como resultado de la investigación de ingeniería de software para una Mini-Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial, se determinan y exponen los diferentes componentes del sistema, a saber:
El diagrama de flujo de información del sistema de control de la Fábrica de Plantas con Iluminación artificial PFAL;
El modelo UML de diseño de la interfaz de Sistema;
El diagrama de despliegue del formato descriptor del sistema;
El esquema electrónico del sistema principal de control;
El diagrama electrónico del sistema de comunicación;
El esquema de módulos sensores y su intercomunicación;
La interfaz de salida y entrada para retroalimentar los datos bidireccionales del control y acuse de información del sistema;
Los diagramas de flujo (algoritmos) de solicitud y envío de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Maestro-Esclavo;
El diseño de la interfaz gráfica del panel de control.
AGRADECIMIENTOS
Los resultados forman parte de proyecto de Desarrollo y Transferencia de Tecnológica (DTT), impulsados por los programas de investigación de la Dirección General de Investigación y Posgrado de la Universidad Autónoma Chapingo (UACh), así mismo a la línea de investigación No. 6 de “Ciencia y tecnología aplicada en la agricultura 4.0 para el desarrollo rural” perteneciente al centro de investigación No. 82 CIISCINACYC, del Departamento de Sociología Rural. Se agradece a la administración en turno del municipio de Nopaltepec, el cual promueve los convenios de investigación para poder gestionar los recursos en el pro de la vanguardia del campo y así llevar a cabo la transferencia tecnológica para la modernización del campo mexicano, y finalmente y no menos importante, a la colaboración de la Universidad Agraria de La Habana de Cuba por la asesoría metodológica y técnica brindada para fortalecer el presente artículo de investigación.
REFERENCIAS
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Recibido: 16 de Octubre de 2021; Aprobado: 24 de Junio de 2022
