LATAM Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades, Asunción, Paraguay.
ISSN en línea: 2789-3855, mayo, 2023, Volumen IV, Número 2 p 380.
DOI: https://doi.org/10.56712/latam.v4i2.618
Monitoreo IoT en un Sistema Aeropónico para el cultivo
de la Lechuga Orgánica
IoT Monitoring in an Aeroponic System for the cultivation of Organic
Lettuce
Mitchell Jhon Vásquez Bermúdez
mitchell.vasquezb@ug.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8157-8549
Universidad Agraria del Ecuador /Universidad de Guayaquil
Guayaquil – Ecuador
Jorge Washington Hidalgo Larrea
jhidalgo@uagraria.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-9226-4171
Universidad Agraria del Ecuador
Guayaquil – Ecuador
José Omar Salavarría Melo
jsalavarria@uagraria.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-3608-5651
Universidad Agraria del Ecuador
Guayaquil – Ecuador
Myrka Carchi
myrkacarchi16@gmail.com
https://orcid.org/0009-0005-9028-0564
Universidad Agraria del Ecuador
Guayaquil – Ecuador
Artículo recibido: 25 de abril de 2023. Aceptado para publicación: 05 de mayo de 2023.
Conflictos de Interés: Ninguno que declarar.
Resumen
La tecnología de IoT se utiliza para monitorear y controlar varios parámetros, incluyendo la
temperatura, la humedad, el pH y la concentración de nutrientes en el agua de cultivo. El propósito
de la presente investigación es presentar una alternativa de monitoreo IoT del pH, nivel de agua
y turbidez en el cultivo de la lechuga orgánica. Se realizó una plantación aeropónica a escala de
bajo costo, la cual sirvió como prototipo de estudio utilizando tarjetas microcontroladoras para
adquisición de datos, con el propósito de monitorear el comportamiento de las variables
anteriormente mencionadas. La información se obtuvo a través de los sensores, que generan
señales las cuales fueron dirigidas hacia las entradas del sistema. Los resultados del estudio
indican que el sistema de monitoreo IoT fue efectivo en el seguimiento y control de las
condiciones de cultivo, lo que mejoró significativamente la calidad de la lechuga orgánica
producida. El artículo concluye que la tecnología IoT puede ser una herramienta valiosa para
mejorar la eficiencia y la productividad en la producción de cultivos aeropónicos y, en general, en
la agricultura de precisión.
Palabras clave: monitoreo IoT, lechuga orgánica, sensores, sistema aeropónico
LATAM Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades, Asunción, Paraguay.
ISSN en línea: 2789-3855, mayo, 2023, Volumen IV, Número 2 p 381.
Abstract
IoT technology is used to monitor and control various parameters, including temperature,
humidity, pH, and nutrient concentration in the culture water. The purpose of the present research
is to present an alternative IoT monitoring of pH, water level and turbidity in organic lettuce
cultivation. A low-cost aeroponic plantation was made on a low-cost scale, which served as a
study prototype using microcontroller cards for data acquisition, with the purpose of monitoring
the behavior of the aforementioned variables. The information was obtained through the sensors,
which generated signals that were directed to the system inputs. The results of the study indicate
that the IoT monitoring system was effective in tracking and controlling the growing conditions,
which significantly improved the quality of the organic lettuce produced. The article concludes
that IoT technology can be a valuable tool for improving efficiency and productivity in aeroponic
crop production and precision agriculture in general.
Keywords: IoT. monitoring, organic lettuce, sensors, aeroponic system, aeroponic system
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Como citar: Vásquez Bermúdez, M. J., Hidalgo Larrea, J. W., Salavarría Melo, J. O., & Carchi, M.
(2023). Monitoreo IoT en un Sistema Aeropónico para el cultivo de la Lechuga Orgánica, LATAM
Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades 4(2), 380–390.
https://doi.org/10.56712/latam.v4i2.618
LATAM Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades, Asunción, Paraguay.
ISSN en línea: 2789-3855, mayo, 2023, Volumen IV, Número 2 p 382.
INTRODUCCIÓN
La aeroponía es una tecnología de cultivo sin suelo, relativamente nueva que puede producir
alimentos en ciudades con espacio limitado o en terrenos no cultivables con una alta eficiencia
en el uso del agua (Li et al. 2018). La aeroponía es una técnica de cultivo innovadora y respetuosa
con el medio ambiente que se considera uno de los métodos más útiles para el desarrollo
sostenible y la seguridad alimentaria. A diferencia de otros sistemas de cultivo, la aeroponía
utiliza una cantidad mínima de agua y nutrientes, lo que la convierte en una opción más eficiente
y ecológica.
Además, gracias a la capacidad de la aeroponía para cultivar plantas en espacios pequeños y
controlar el entorno de cultivo de manera precisa, se puede aumentar la producción de alimentos
y reducir la huella de carbono de la agricultura (Lakhiar et al. 2018). Se convierte en una
alternativa viable a otros sistemas de cultivo sin suelo para mantener las plantas con una
atmósfera controlada en la zona de las raíces (Kratsch, Graves, and Gladon 2006). Una de las
ventajas del cultivo sin suelo es que es posible una observación no invasiva del desarrollo del
sistema radicular (Martinez-Nolasco et al. 2022).
Asimismo, pueden producir más cosechas al año gracias a la minimización de las pérdidas de
las malas condiciones ambientales y las plagas, con un beneficio adicional para el medio
ambiente gracias a la eliminación de pesticidas, herbicidas nocivos y gases de efecto
invernadero por la aplicación de las técnicas tradicionales (Tunio et al. 2021).
En la actualidad, la recopilación de datos sobre el rendimiento de los cultivos en sistemas
aeropónicos convencionales suele ser un proceso lento y tedioso, ya que los datos se recogen
manualmente. Esto puede retrasar la identificación de problemas en el crecimiento de las plantas
y limitar la capacidad de los agricultores para tomar decisiones informadas sobre la gestión de
sus cultivos. En consecuencia, la temperatura de la zona radicular es uno de los factores más
importantes que afectan al crecimiento de las plantas en el cultivo aeropónico.
Existen estudios que recopilan datos sobre la temperatura y la humedad relativa en un sistema
aeropónico basado en el Internet de las cosas (IoT) (Mahrous et al. 2022). Lakhiar et al. (2018)
llevaron a cabo una revisión exhaustiva de los factores ambientales en los sistemas aeropónicos,
incluyendo el tamaño de las gotas de nutrientes, el pH y la conductividad eléctrica (CE) de los
nutrientes, la luz, la temperatura, la humedad, la concentración de oxígeno disuelto, la frecuencia
de nebulización y el depósito de nutrientes.
Los autores Kerns y Lee, (2017) presentaron un diseño de un sistema de aeroponía automatizado
utilizando dispositivos IoT que se basan en tres componentes principales: una aplicación móvil,
una plataforma de servicios y dispositivos con sensores. El objetivo de su trabajo era
proporcionar una solución de bajo costo para los agricultores y los investigadores que deseen
monitorear y controlar los factores ambientales en el cultivo aeropónico de manera remota.
Por otro lado, los autores Jamhari et al., (2020) proponen un diseño e implementación de un
sistema aeropónico a escala de laboratorio que emplea IoT para el monitoreo en línea. Su
sistema aeropónico contiene una cámara de crecimiento y una cámara de raíces para 6 plantas
vegetales. La cámara de raíces fue diseñada como un espacio cerrado y oscuro que se asemeja
al suelo. Su trabajo destaca la importancia de la similitud del entorno de crecimiento de la raíz
con el suelo para lograr un crecimiento óptimo de las plantas.
El estudio de Narimani et al. (2021) presenta un invernadero aeropónico inteligente a escala
experimental para el cultivo de geranios, en el que se monitorean continuamente las condiciones
ambientales y el estado de las plantas mediante la integración de tecnologías del Internet de las
Cosas (IoT) y la inteligencia artificial (IA).
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De la misma manera en un estudio, Saraswat et al. (2018) desarrollaron un sistema de monitoreo
de parámetros que permitía la detección y registro de cambios en la temperatura y la humedad.
Este sistema de monitorización basado en Android utiliza programación java y es de código
abierto, además el usuario puede monitorizar el desarrollo de las plantas de espinacas,
consultando los datos que se han almacenado en la base de datos para que los usuarios puedan
conocer el desarrollo de la planta.
Además, se han realizado diversas evaluaciones de la viabilidad y sostenibilidad del cultivo
aeropónico en invernaderos. Un ejemplo de ello es el estudio presentado por Barla, Salachas y
Abeliotis (2020) que evaluaron las emisiones de gases de efecto invernadero en un invernadero
automatizado durante el cultivo aeropónico de lechuga en Grecia.
Finalmente, los autores Riswandi et al., (2022) describen un sistema de IoT para monitorear y
controlar la evapotranspiración en un entorno aeropónico. Su sistema consta de un
microcontrolador, una computadora de placa única, sensores y actuadores. Los sensores del
sistema recogen los datos de los parámetros del entorno de la planta, incluyendo la temperatura
del aire, la humedad, el total de sólidos disueltos (TDS), el pH y la temperatura del agua. Su trabajo
destaca la importancia de la monitorización y control de los parámetros ambientales para lograr
un crecimiento óptimo de las plantas en el sistema aeropónico.
Con el objetivo de mejorar la eficiencia productiva y reducir los impactos ambientales negativos
de la agricultura convencional, se propone la implementación de un sistema de cultivo
aeropónico automatizado para el cultivo de lechuga. Este sistema controlará de manera precisa
los parámetros de temperatura, humedad y tiempo de riego mediante la nebulización de
nutrientes directamente en las raíces de las plantas. Se trata de un sistema de bajo costo, que
utiliza Arduino y herramientas de Internet de las Cosas (IoT) para la monitorización remota de
las variables, conectándose a un servidor web.
MÉTODO
Se llevó a cabo un experimento en un invernadero situado en Milagro, Ecuador, durante un
periodo de 45 días que transcurrió desde inicios de julio hasta finales de agosto del año 2022. La
superficie total del invernadero fue de 5×4 m2, adecuado para aprovechar al máximo la luz
natural.
Con el fin de reducir la temperatura del invernadero y crear un ambiente apropiado para el
crecimiento de las plantas, se instalaron puertas y se sellaron para evitar la entrada de insectos
y enfermedades, garantizando así que las plantas se desarrollarán en un entorno seguro y
controlado.
Durante el periodo experimental, se expusieron las plantas a las condiciones ambientales y se
registraron diariamente las variables climáticas, como la temperatura máxima y mínima, la
turbidez, el pH y los niveles de agua. Estos datos se recopilaron mediante tecnología IoT, lo que
permitió una monitorización continua y precisa del ambiente en el invernadero.
Se describe el prototipo proponiendo una arquitectura inteligente y gestionable para un cultivo
aeropónico de lechuga, utilizando un microcontrolador para el sistema IoT.
El sistema aeropónico que utiliza IoT se basa en varias capas para su funcionamiento,
incluyendo:
● Sensórica: Los sensores utilizados son: Sensor de turbidez, Sensor de ultrasonido,
Sensor de PH.
● Conectividad: Establece un canal de comunicación entre los sensores o dispositivos, la
que está implantada por conexiones de cables y con Wi-Fi la conexión a internet.
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● Análisis y procesado: Se utilizó un sistema de gestión de base de datos Mysql y está
alojada en Hosting donde se realiza los respectivos querys para la capa de aplicación.
● Aplicación o Interfaz de usuario: La aplicación móvil de monitoreo desarrollada en
Android Studio es capaz de acceder a los datos de los sensores y actuadores del sistema
aeropónico de manera rápida y desde cualquier dispositivo, siempre y cuando se tenga
acceso a Internet.
En la siguiente figura se muestra la arquitectura del sistema aeropónico del cultivo de la Lechuga
Orgánica.
Figura 1
Arquitectura de Sistema Aeropónico
El sistema IoT realiza las acciones programadas para el funcionamiento automatizado del cultivo
de la lechuga. Se diseñó con los siguientes componentes que permitieron monitorizar el sistema
para mejorar el rendimiento de la producción, ya sea in situ o a distancia. La siguiente figura
muestra el diagrama de bloques del sistema IoT del cultivo aeropónico.
Figura 2
Componentes del Sistema Aeropónico
● Usuario: Mediante este esquema de prototipo se puede visualizar al
usuario/administrador registrándose en la aplicación móvil para el monitoreo de los
parámetros dentro del sistema aeropónico.
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● App móvil: Se visualiza el login de la aplicación para el registro del usuario/administrador,
para monitorear por medio de los gráficos de los parámetros de la turbidez, el nivel del
agua y el Ph para los datos de los sensores.
● Red Internet: La aplicación móvil es conectada a la red Wi-fi para que los sensores
actualicen sus datos y sean visualizados dentro de la app.
● Sensores: Se muestran los sensores utilizados dentro del sistema para el monitoreo de
los parámetros.
● Circuitos de sensores: Para la conexión del circuito se utilizó el sensor de turbidez,
sensor de Ph y la tarjeta ultrasonido, la placa esp8266, un reley de 5v.
● Sistema aeropónico: Implementación del sistema aeropónico con todos sus elementos
mencionados para el monitoreo de los parámetros ya mencionados dentro la aplicación
móvil.
Los sensores IoT para monitorear un sistema aeropónico de cultivo de lechuga orgánica pueden
incluir:
● Sensor de pH para medir el nivel de acidez o alcalinidad del agua utilizada en el sistema.
● Sensor de turbidez para medir la claridad del agua y detectar la presencia de sólidos en
suspensión.
● Sensor de nivel de agua para monitorear el volumen de agua en el repositorio y
asegurarse de que no se agote.
● Sensor de temperatura para medir la temperatura del agua y del ambiente de cultivo, lo
que puede afectar el crecimiento de la lechuga.
Estos sensores pueden conectarse a una plataforma IoT para visualizar los datos en tiempo real
y recibir alertas si los niveles de pH, turbidez, nivel de agua o temperatura se salen de los rangos
deseados. Esto ayudará a los agricultores en la mejora del crecimiento de la lechuga
garantizando una producción de alta calidad.
En la siguiente tabla, se mencionan las funciones más importantes de los dispositivos.
Tabla 1
Dispositivos del Sistema IoT
Dispositivo Función
Sensor de turbidez analógico 0189
El sensor de turbidez se utiliza para medir la calidad del
agua mediante la medición de la turbidez, que es la
claridad del líquido. El sensor detecta partículas en
suspensión midiendo la transmitancia de luz y la
frecuencia que cambia con la cantidad de sólidos
suspendidos totales en el agua. El nivel de turbidez
aumenta a medida que aumenta la cantidad de sólidos
suspendidos en el agua. Los datos del sensor se
almacenan en una aplicación móvil y se muestran al
usuario. Si el nivel de turbidez es excedido, se envía una
alerta al correo electrónico del usuario para que tome
medidas.
Sensor de ultrasonido HC-SR04
La tarjeta de ultrasonido mide la distancia utilizando
ondas ultrasónicas emitidas por el cabezal que luego
son reflejadas por el objeto. La tarjeta mide la distancia
del agua en el contenedor midiendo el tiempo entre la
emisión y la recepción de la onda ultrasónica. Los datos
se usan para verificar que el nivel de agua sea adecuado
y si el nivel baja de los 3 litros, se envía una alerta al
correo electrónico del usuario para que llene el
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contenedor y la bomba pueda mantener el suministro de
agua para las plantas.
Sensor de PH-4502C
El sensor de pH mide la acidez o la alcalinidad de una
solución en el contenedor de agua en una escala de 0 a
14. El valor del pH expresa el grado de acidez o
alcalinidad en términos de la actividad de los iones de
hidrógeno. Si la solución tiene un pH entre 6 y 10, está
óptima en el agua, pero si es mayor de 10, hay un alto
nivel de acidez y se envía una alerta al usuario por correo
electrónico para que use un regulador de pH y mantenga
el agua en óptimas condiciones. El sensor de pH es muy
útil en estos sistemas.
El modulo ESP32
El ESP8266 es un chip Wi-Fi de bajo costo con una pila
TCP/IP completa, capacidades de procesamiento y
almacenamiento potentes y una integración de GPIO con
sensores y dispositivos específicos de la aplicación con
un desarrollo mínimo previo y una carga mínima durante
el tiempo de ejecución. Su señal de Wi-Fi permite la
comunicación con todos los sensores mencionados y
envía los datos a la base de datos para el monitoreo y
seguimiento del progreso del cultivo. La aplicación
muestra los registros de datos para que el usuario pueda
monitorearlos.
Módulo Relé para Arduino Doble 5
Voltios 10 Amperios
El módulo relé actúa como un interruptor para controlar
el paso de corriente eléctrica. Este módulo se utiliza para
permitir el control remoto de altas tensiones con un bajo
voltaje en retorno. En este caso, se utiliza para
programar el tiempo de encendido y apagado de la
bomba, permitiendo que la bomba funcione durante 15
minutos y se apague durante 20 minutos para evitar el
desgaste de las baterías y reducir el consumo de
energía. Esto asegura que el agua circule
constantemente para mantener las raíces de la lechuga
hidratadas.
RESULTADOS
La evaluación del sistema IoT mediante una aplicación móvil diseñada para monitorear la
temperatura, la turbidez, el pH y los niveles de agua es una forma conveniente y efectiva de
recopilar datos y supervisar el sistema. La aplicación tiene una interfaz fácil de usar, con iconos
bien definidos y funcionalidades claras.
La opción "Inicio" que muestra gráficos de las lecturas de los sensores es una forma útil de
visualizar los datos recopilados. La opción "Reporte" también es valiosa para revisar las alertas
en días específicos y analizar los patrones y tendencias del sistema a lo largo del tiempo, como
se muestra en la siguiente figura.
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Figura 3
Monitoreo del Sistema aeropónico
El reporte de alertas diarias permite visualizar la alerta registrada del monitoreo, como se
muestra en la siguiente tabla.
Tabla 2
Alertas de monitoreo del Sistema aeropónico
CASO DE
PRUEBA
ENTRADA RESULTADO
ESPERADO
RESULTADO
OBTENIDO
ESTADO
1 PH 5,5 y 7,5 11,23 ALERTA DE PH
2 PH 5,5 y 7,5 11,23 ALERTA DE PH
3 Turbidez 1 - 20 NTU 59,89 NTU ALERTA DE Turbidez
4 Turbidez 1 - 20 NTU 59,78 NTU ALERTA DE Turbidez
5 Nivel de agua
en repositorio
30-40 cm 50CM ALERTA DE NIVEL
6 PH 5,5 y 7,5 12 ALERTA DE PH
7 PH 5,5 y 7,5 10,56 ALERTA DE PH
8 PH 5,5 y 7,5 10,56 ALERTA DE PH
9 Turbidez 1 - 20 NTU 560 NTU ALERTA DE Turbidez
10 Nivel de agua
en repositorio
30-40 cm 12,01CM ALERTA DE NIVEL
11 Nivel de agua
en repositorio
30-40 cm 12,01CM ALERTA DE NIVEL
12 Temperatura 21 y 28 OC 30 OC ALERTA DE NIVEL
13 Temperatura 21 y 28 OC 35 OC ALERTA DE NIVEL
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La tabla muestra los resultados de varios casos de prueba en los que se han ingresado ciertos
valores de entrada en el sistema de monitoreo y se ha registrado el resultado esperado y el
resultado obtenido.
Los casos de prueba se refieren a diferentes aspectos que se monitorean, como el pH del agua,
la turbidez, el nivel de agua en el repositorio y la temperatura. Para cada caso de prueba, se han
especificado los valores de entrada que se han utilizado para el monitoreo y se ha indicado el
resultado esperado y el resultado obtenido.
En todos los casos de prueba, el resultado obtenido no coincide con el resultado esperado, lo
que ha llevado a que se genere una alerta. Por ejemplo, en el caso de prueba número 1, se
esperaba un resultado de entre 5,5 y 7,5 para el pH, pero se registró un valor de 11,23, lo que
indica un alto nivel de acidez en el agua y ha generado una alerta de pH.
La tabla también muestra cómo se están monitoreando varios aspectos del sistema y cómo se
generan alertas en caso de que se detecten valores anormales o fuera de los rangos
establecidos. Esto permite que el agricultor pueda tomar medidas para corregir el problema y
garantizar que el sistema funcione de manera eficiente y las lechugas crezcan adecuadamente.
DISCUSIÓN
La supervisión y el control son factores críticos en la producción agrícola, especialmente en los
métodos de cultivo hidropónicos y aeropónicos, donde las plantas crecen en un ambiente
artificial sin suelo y dependen completamente del suministro de agua y nutrientes. En este
contexto, el uso de sistemas IoT puede mejorar significativamente la eficiencia y la productividad
de las actividades agrícolas.
En este artículo, se ha propuesto un sistema de supervisión y control autónomo para un cultivo
aeropónico de lechuga. El sistema utiliza sensores y actuadores para recopilar datos de turbidez,
nivel de agua, temperatura y pH, y permite a los usuarios controlar y ajustar los parámetros del
cultivo a través de una aplicación móvil.
Las pruebas realizadas en el prototipo del sistema mostraron resultados positivos, lo que indica
que los sensores y actuadores funcionaron correctamente y proporcionaron datos precisos y
útiles. Sin embargo, es importante señalar que algunos factores, como el desgaste de los
sensores que tienen más contacto con el agua o la quema de algún componente electrónico,
pueden afectar el rendimiento del sistema y dificultar las pruebas.
Además, es importante mencionar que, aunque el sistema propuesto en este artículo ha
demostrado ser efectivo en un cultivo específico, es necesario considerar las particularidades de
cada cultivo y adaptar el sistema en consecuencia. Por ejemplo, el pH y la composición
nutricional del agua pueden variar según el tipo de cultivo y la fuente de agua utilizada, por lo que
los sensores y las técnicas de control deben ajustarse.
En conclusión, el sistema de supervisión y control propuesto en este artículo es una herramienta
valiosa para mejorar la eficiencia y la productividad en los cultivos aeropónicos. Sin embargo, se
debe tener en cuenta que la implementación efectiva del sistema requiere una comprensión
profunda de las particularidades de cada cultivo y la capacidad de adaptar el sistema.
LATAM Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades, Asunción, Paraguay.
ISSN en línea: 2789-3855, mayo, 2023, Volumen IV, Número 2 p 389.
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