Uno de los más grandes proyectos (literalmente) que hemos realizado en Niubit. Un invernadero para cultivo hidropónico computerizado.
Introducción
En los proyectos de tecnología que abordamos con los alumnos, intentamos que sirvan a la vez como excusa para mostrarles aspectos del mundo real. Se puede argumentar que las nuevas generaciones corren el riesgo de terminar creyendo que por ejemplo los tomates se fabrican en los supermercados. Con la idea de mostrarles algo tan fundamental como aprender a fabricar su propia comida, nos animamos a construir un Personal Food Computer (PFC), es decir un pequeño invernadero para cultivo hidropónico gestionado y monitorizado con Raspberry Pi.
El proyecto original que utilizamos como base pertenece a la Open Agriculture Initiative del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Existe en dos versiones. Desafortunadamente las páginas oficiales de documentación de los dos proyectos, en el momento de escribir este artículo, no se encuentran disponibles, pero se conservan copias en archive.org:
- PFC 3.0: Versión completa, con multitud de sensores y actuadores para gestionar los cultivos y poder hacer investigación variando las condiciones de crecimiento.
- MVP 1.0: Versión simplificada, limitada a control de temperatura e iluminación.
Nos decantamos por el MVP (Minimal Viable Product) para limitar el coste y porque realmente para transmitir los fundamentos y conceptos a los alumnos resultaba suficiente. Vamos a ver cómo y qué montamos exactamente.
Explicar brevemente que el cultivo hidropónico es el que se logra sin necesidad de utilizar un sustrato, es decir en el que las raíces de las plantas se encuentran sumergidas en una solución acuosa con los nutrientes necesarios para que la planta pueda alimentarse.
Chasis
El invernadero es básicamente una cámara con volumen suficiente para colocar un par de cubetas de cultivo hidropónico, una lámpara adecuada para crecimiento de plantas y paredes reflectantes para que la luz bañe lo más posible sus hojas. El primer modelo de los tres que construimos lo realizamos con listones de madera que colocamos en las aristas de un paralelepípedo que resultó ser de 70cm de altura y 50cm de anchura y profundidad. Es el que se ve a la derecha en la siguiente "foto de familia".
A este PFC que bautizamos como James Food le siguieron dos modelos más pequeños diseñados para ser transportables a los colegios, con dimensiones 50x47x30cm. En este caso para el chasis utilizamos unos tubos y codos reciclados de un perchero portátil.
Como puede verse, las caras del paralelepípedo en los tres modelos las hicimos con un aislante de vivienda hecho de plástico reflectante de aspecto plateado. En la cara frontal utilizamos una lámina de metacrilato fina que actúa como puerta para acceder al interior y permite observar la evolución de las plantas.
Los elementos que hay integrados en el chasis son:
- Lámpara LED especial para crecimiento de plantas.
- Ventilador continuo para facilitar la homogeneización de los gases en el interior.
- Ventilador en pared actuado por Raspberry Pi para control de temperatura.
- Cámara para realizar fotos cada media hora. En el modelo grande utilizamos una webcam USB y en los pequeños la PiCamera oficial de Raspberry Pi.
- Sensor de temperatura y humedad Si7021 para recopilar esos datos cada 20 minutos y realizar gráficos y posteriores análisis.
- Electrónica (Raspberry Pi, módulo de relés y fuentes de alimentación) en la cara/bandeja superior.
- Bomba de aire de acuario para oxigenar el agua de las cubetas de cultivo.
Electrónica
Las conexiones entre todos los componentes anteriores pueden verse en el siguiente esquema:
Aunque como se ve en el esquema necesitamos tres fuentes distintas de tensión, se utilizó una fuente de alimentación para disco duro de ordenador que en el mismo conector de salida nos da los 5V necesarios para Raspberry Pi y el módulo de relés, además de los 12V que se utilizan en los ventiladores. En el esquema sólo aparece el ventilador controlado por software. El otro ventilador que funciona continuamente para mover el aire del interior de la cámara, está conectado directamente a la fuente de 12V. La bomba de aire también está conectada directamente, esta vez a un enchufe de 220V. Simplemente le instalamos un interruptor para apagarla cuando resultara molesta por el ruido que hace.
Software
En cuanto al software de control utilizamos como punto de partida el proyecto original, pero en seguida empezamos a hacer pequeños ajustes y retoques por lo que terminamos generando nuestro propio repositorio de código. Básicamente el código gestiona las siguientes tareas:
- Hace una fotografía del cultivo cada media hora, siempre que la lámpara esté encendida.
- Enciende el ventilador situado en una de las paredes cuando la temperatura del aire interior supere los 25ºC, para extraer el aire del interior tratando de bajar la temperatura.
- Enciende la lámpara a las 6:30 y la apaga a las 23:00.
- Mide la temperatura y la humedad del aire cada 20 minutos y los almacena en una base de datos. En el modelo inicial (James Food), instalamos dos termómetros adicionales para registrar la temperatura del agua de las dos cubetas de cultivo.
- Genera gráficos de temperaturas y humedad con el tiempo, para un pequeño sitio web que sirve la propia Raspberry Pi donde se puede ver además la última foto tomada.
El sitio web mencionado en el último punto tiene este aspecto:
El gráfico cubre aproximadamente las últimas 48 horas de datos, por lo que suelen observarse dos ciclos completos de bajadas y subidas de temperatura, provocados por la evolución de la temperatura ambiente y sobre todo por el encendido/apagado de la lámpara.
Cultivos
A lo largo del más de un año de experimentación con distintos cultivos hemos probado con varias especies y observado las diferencias en la velocidad de crecimiento y éxito o fracaso con la floración o la producción de frutos. Algunas de las especies que hemos cultivado son:
- Tomates: Crecimiento rápido, pero no han tenido producción. Se escapaban hacia la luz y terminaban quemándose las hojas. Es posible que para producir fruto necesiten un ciclo de luz y un aporte de nutrientes diferente. La floración fue muy escasa en los ejemplares que plantamos.
- Albahaca: Crecimiento rápido y buena producción. Resistentes a la baja humedad y a los nutrientes genéricos. Algunos ejemplares llegaron a florecer.
- Cilantro: Crecimiento rápido y buena producción. Raíces muy extensas y abundantes con una central pivotante. Resistentes a la baja humedad y a los nutrientes genéricos.
- Borraja: No prosperaron. Crecimiento lento. Parecía que les sobraba agua y terminaron pudriéndose. Es posible que el calor y el propio sistema hidropónico no sean las mejores condiciones para su desarrollo.
- Lechuga: Alto rendimiento en todas las variedades. Raíces abundantes. Crecimiento moderado, las plantas favoritas de los alumnos, que gustaban de hacer catas cada vez que las veían. Poda semanal para hacer una ensalada, junto con el cilantro.
Gracias a las fotografías tomadas cada media hora hemos podido realizar animaciones stop motion como las que pueden verse a continuación:
