Automatización de invernaderos con la pasarela Edge IoT

Automatización de invernaderos con la pasarela Edge IoT: cableado, lógica y qué es lo que realmente falla

En este artículo se describe cómo hemos implementado Greenhouse Automation con la pasarela Edge IoT.

Cuando se trabaja en la automatización de invernaderos, el problema suele surgir siempre en el mismo sitio.

Los sensores ya están instalados. Los ventiladores y las bombas están en marcha. Pero nadie ha conectado ambos lados entre sí. El CO₂, la temperatura, la humedad… cada uno tiene su propia pantalla. El ventilador de extracción tiene su propio controlador. Y la bomba también. Al final, alguien tiene que encargarse de la coordinación manualmente, vigilando las alertas en el móvil.

Tenía un invernadero de tomates como este: con sensores instalados, pero los ventiladores aún se controlaban manualmente. A partir de ahí, empezamos a implementar la lógica de control en la pasarela de forma local. Es más sencillo y sigue funcionando aunque se caiga Internet.

Cómo se realiza el cableado

La pasarela de IoT perimetral EG8200 cuenta con dos puertos RS485, ambos con protocolo Modbus RTU. La mayoría de los sensores agrícolas ya utilizan el protocolo Modbus RTU, por lo que se conectan directamente al bus.

Normalmente los dividimos por tipo de sensor: los sensores climáticos en un bus y los de CO₂ y luz en el otro. Así se mantienen separados los espacios de direcciones y resulta más fácil aislar los fallos más adelante.

Algunos sensores Modbus se suministran con todas las direcciones predeterminadas configuradas en 1. Es recomendable configurar las direcciones de los dispositivos uno por uno antes de conectarlos al bus compartido. Además, algunos dispositivos no conservan correctamente la configuración de las direcciones tras un corte de corriente, por lo que conviene comprobarlo antes de su instalación.

En el lado de salida, hay dos salidas de relé (DO). Estas activan la bobina de un contactor intermedio; el contactor gestiona la carga del motor. Si se necesitan más de dos dispositivos, utilice módulos de ampliación de relés RS485 en el mismo bus.

Puertos DI para interruptores de nivel de agua y sensores de puerta. Útiles para los enclavamientos: si las rejillas laterales están abiertas, la bomba de refrigeración de la almohadilla permanece apagada.

El despido también afecta a las personas

Tenía una instalación en la que las lecturas de temperatura se interrumpían aleatoriamente. El cableado parecía estar bien; la configuración también parecía correcta. Al final, descubrí un tramo largo de cable al final del bus que no tenía resistencia de terminación. Puse una resistencia de 120 Ω en ambos extremos y se solucionó el problema.

Ese tipo de problema no se manifiesta en el software. Hay que remontarse a la capa física.

También conviene comprobar si algún módulo de relé o controlador de bomba conectado al mismo bus está generando interferencias: tuvimos un caso en el que el relé de la bomba provocaba fallos intermitentes en la lectura de los sensores cercanos hasta que aumentamos la distancia entre ellos y añadimos núcleos de ferrita.

Lógica de control

El EG8200 ejecuta Node-RED directamente en el dispositivo. Crea flujos en un navegador, impleméntalos y listo. Si hay que cambiar un valor de consigna in situ, basta con abrir un navegador, modificar el número y volver a implementarlo.

Consultamos los sensores cada 30 segundos aproximadamente. Cuando la temperatura supera el umbral, DO1 activa el contactor del extractor. Si la humedad desciende, una orden de escritura Modbus indica al controlador de la bomba que funcione a potencia parcial. Se ha incorporado un mecanismo de histéresis para que el extractor no se esté encendiendo y apagando constantemente: la temperatura tiene que bajar un par de grados por debajo del umbral de activación antes de que se vuelva a apagar.

Funciona íntegramente de forma local. Aunque se corte la conexión a Internet, el invernadero sigue funcionando. Cuando se restablece la conexión, los datos almacenados en el búfer se suben de nuevo con normalidad.

En el caso de las instalaciones que ya cuentan con SCADA, solemos optar por MQTT. Lo hemos utilizado con Mosquitto, HiveMQ y AWS IoT sin mayores problemas, aunque si el broker existente tiene reglas de autenticación o de temas personalizadas, ahí es donde realmente se invierte tiempo en la configuración.

La lógica en sí misma no es lo que lleva más tiempo. El cableado, la puesta en marcha de los dispositivos y gran parte del tiempo dedicado a la puesta en marcha se acaba invirtiendo en seguir el recorrido de los cables y confirmar qué interruptor alimenta a cada ventilador; ahí es donde realmente se invierten las horas.

Automático y manual

El sistema automático funciona sin supervisión. Sin embargo, ante cambios de cultivo, tareas de mantenimiento o condiciones de cultivo imprevistas, la lógica preestablecida no siempre será la adecuada.

El modo manual se activa desde el panel de control local de Node-RED o mediante un comando MQTT. La lógica automática se detiene y el operador asume el control directo. El panel de control funciona en cualquier navegador de la red local; no se necesita ninguna aplicación.

En instalaciones con una conexión a Internet poco fiable, el hecho de no tener que pasar por un portal en la nube para modificar un punto de consigna es más importante de lo que parece.

Puesta en servicio

En una configuración típica, una persona puede ponerlo en marcha en unas pocas horas. La mayor parte del trabajo consiste en el cableado.

Pon el EG8200 en modo AP para su puesta en marcha: emite su propia red local, por lo que no es necesario conectarse a la red wifi de la granja. Solo tienes que conectarte y abrir Node-RED directamente.

Instalaciones con varias naves: en ocasiones, las naves cercanas comparten un mismo dispositivo si el alcance de la red wifi es suficiente. Las estructuras independientes suelen contar con su propio EG8200, cada uno de los cuales se comunica a través de 4G. Algunas instalaciones prefieren tender un cable entre los edificios, dependiendo de la infraestructura ya existente.

Donde tiene sentido

Invernaderos comerciales de hortalizas y tomates, sistemas hidropónicos, viveros de plántulas, cámaras frigoríficas. En cualquier lugar donde sea necesario que el sistema de control siga funcionando independientemente de la conexión a Internet.

Donde empieza a alcanzar sus límites: instalaciones grandes con muchas zonas controladas de forma independiente. Dos buses RS485 y dos salidas de relé cubren la mayoría de las configuraciones de tamaño medio. Más allá de eso, se necesitan varias unidades o hardware diferente.

Algunas preguntas que suelen surgir

Sensores de distintos fabricantes: ¿funcionarán en el mismo bus?

Normalmente sí, siempre y cuando sean compatibles con Modbus RTU. Lo que hay que tener en cuenta es la velocidad de transmisión: la mayoría viene configurada por defecto a 9600 8N1, pero no todos. Si un sensor no responde y el cableado parece correcto, eso es lo primero que hay que comprobar.

Funcionamiento sin conexión: ¿cómo funciona realmente?

Toda la lógica se ejecuta de forma local. Internet solo se utiliza para la carga de datos y el acceso remoto. Vale la pena probarlo antes de abandonar una instalación: desconecta la antena y comprueba que todo funciona como se espera.

¿Pueden las salidas de relé controlar motores directamente?

No directamente. El relé acciona la bobina de un contactor; el contactor controla el motor. Si hay más de dos cargas, hay que añadir módulos de ampliación de relés RS485.

La mayoría de los problemas que surgen en estos proyectos acaban siendo cuestiones relacionadas con la capa física: terminación, conflictos de direcciones, ubicación de los sensores. Una vez resueltos, el resto se resuelve con bastante rapidez.

Especificaciones y ficha técnica del EG8200: página del producto. Preguntas: formulario de contacto.