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Caso de estudio · Automatización de invernaderos · PLC Arduino + Raspberry Pi

Humedad, CO2, temperatura y luz. Dos PLC Arduino gestionan el invernadero.

Cómo el responsable de un invernadero creó un sistema de control abierto con equipos de Industrial Shields: dos PLC Ethernet leen los sensores y accionan los actuadores, y un Panel PC con Raspberry Pi, MQTT y Node-RED permite el control remoto y las alertas.

4variables controladas: humedad, CO2, temperatura y luz
2 PLCPLC Ethernet basados en Arduino leen sensores y accionan actuadores
I2Cbus con multiplexores para los sensores de clima
MQTTbroker y panel Node-RED en un Panel PC con Raspberry Pi

Un controlador llave en mano habría puesto los límites.

El cliente quería un sistema abierto, sin límites de opciones.

El cliente, responsable de la gestión de un invernadero, buscaba una solución de código abierto para implementar todas las especificaciones técnicas que quería. Eligió los equipos de Industrial Shields por el ahorro de costes, el cableado fácil con conectores sin tornillos y la posibilidad de programar en varios lenguajes o con herramientas gratuitas como el IDE de Arduino.

El reto

Controlar a distancia cada espacio del invernadero y saber cuándo algo sale de rango.

El invernadero está formado por varios espacios. Cada uno necesitaba control remoto de humedad, CO2, temperatura e iluminación, y un sistema que avisara al cliente cuando alguna variable saliera de rango.

01

Humedad

La humedad relativa se mide en la estación de clima del invernadero y actúa sobre los sistemas de nebulización o de refrigeración.

02

Ventilación

Sin una ventilación adecuada habría zonas con diferente temperatura y humedad, y la cosecha disminuiría.

03

Nivel de CO2

Los sistemas de aportación de CO2 se controlan a partir de las mediciones del contenido de CO2 del invernadero.

04

Luz

Las luces siguen un horario y también se pueden ajustar manualmente. Controlar la iluminación evita quemaduras en las hojas.

Un proyecto base para escalar

El cliente empezó el proyecto como una prueba, con el objetivo de definir el hardware y el software que después escalaría a otras instalaciones de su propiedad.

Cómo funciona

Clima automático, luz programada, una sola pantalla.

Cada fase tiene su propia lógica de control en un sketch del IDE de Arduino: el PLC lee el sensor, lo compara con su rango y decide sobre los actuadores. Mueve los controles para ver la lógica de cada una.

Lazo 1 · Humedad y temperatura

Nebulización, refrigeración y ventilación

El PLC lee la humedad y la temperatura de los sensores de clima y decide sobre los sistemas de nebulización o de refrigeración y sobre la ventilación, para que todas las zonas de un espacio estén en las mismas condiciones.

  • Entradas: sensores de humedad y temperatura en el bus I2C
  • Lógica: rangos en el sketch del IDE de Arduino
  • Salidas: bombas, válvulas y ventilación
Nebulización / fríoVentilación
70 %RH
24 °C
Alerta fuera de rango

Umbrales ilustrativos. Las consignas reales de la instalación no se publican.

Lazo 2 · CO2

Aporte de CO2 según la medición

Se mide el contenido de CO2 del invernadero y el PLC controla los sistemas de aportación de CO2 a partir de esa medición.

  • Entrada: nivel de CO2
  • Lógica: rango en el PLC
  • Salida: sistema de aportación de CO2
Aporte de CO2
800 ppm
Alerta fuera de rango

Umbrales ilustrativos. Las consignas reales de la instalación no se publican.

Lazo 3 · Luz

Luces por horario, con control manual

Mientras la humedad, el CO2 y el aire se controlan de forma automática, las luces siguen la hora del día. También se pueden ajustar manualmente desde el Panel PC.

  • Entrada: horario
  • Control manual: orden desde el panel
  • Salida: luces del invernadero
00:0024:00Luces
12:00

Umbrales ilustrativos. Las consignas reales de la instalación no se publican.

Arquitectura del sistema

Del bus de sensores al panel de control.

La arquitectura de la instalación, redibujada a partir de la descripción del proyecto. Sensores a la izquierda, los dos PLC en el centro, actuadores a la derecha y el Panel PC arriba.

Greenhouse automation with two Arduino based PLCs and a Raspberry Pi Panel PCSUPERVISIÓNPanel PC (Raspberry Pi)Broker MQTT · Panel Node-REDalertasSENSORESSensores de climahumedad · temperatura · CO2Multiplexores I2CSensores digitales y analógicosPLC 1M-DuinoPLC 2M-DuinoSketch IDE de ArduinoBus I2CEthernet · MQTTACTUADORESBombas y válvulasnebulización · frío · CO2VentilaciónLuceshorario o manualsalidasSUPERVISIÓNPanel PC (Raspberry Pi)Broker MQTT · Panel Node-REDEthernet · MQTTPLC 1M-DuinoPLC 2M-DuinoSketch IDE de ArduinoSENSORESACTUADORESSensores de climaBus I2CMultiplexores I2CSensores digitales y analógicosBombas y válvulasVentilaciónLuceshorario o manual
Entrada de sensorEthernet · MQTTSalida a actuador
Lista de señales
SeñalDirecciónTipoFunción
Sensores de climaSensor → PLCBus I2C con multiplexoresHumedad, temperatura y CO2 de cada espacio
Otros sensoresSensor → PLCDigitales y analógicosCompletan la medición de la instalación
Bombas y válvulasPLC → actuadorSalida del PLCNebulización, refrigeración y aporte de CO2
VentilaciónPLC → actuadorSalida del PLCMantiene uniformes la temperatura y la humedad
LucesPLC → actuadorSalida del PLCIluminación por horario u orden manual
Datos de procesoPLC → Panel PCEthernet · MQTTValores de los dos PLC enviados al broker
Panel y alertasPanel PC → usuarioNode-REDControl remoto y alertas fuera de rango

Por qué hardware abierto

Hardware industrial, software abierto.

Sin límites de un llave en mano

Una solución de código abierto permitió al cliente implementar todas las especificaciones que quería, con opciones ilimitadas.

Fácil de cablear

Los conectores sin tornillos agilizan el cableado de sensores y actuadores.

Tú eliges las herramientas

Los PLC se programan con el IDE de Arduino y el panel con Node-RED, dos herramientas gratuitas.

Hardware utilizado

Dos PLC en el carril DIN, un Panel PC en la pared.

PLC M-Duino Ethernet basado en Arduino

PLC M-Duino Ethernet

Dos PLC Ethernet de la familia M-Duino, basados en Arduino, leen los sensores y ejecutan el sketch de control de cada fase.

Función
Lectura de sensores y control de actuadores
Sensores
Bus I2C, digitales y analógicos
Programación
IDE de Arduino
Enlace
Ethernet al Panel PC

El caso no publica el modelo exacto de M-Duino. La imagen muestra el M-Duino Ethernet 21.

Panel PC TouchBerry Pi 10.1 con Raspberry Pi

Panel PC con Raspberry Pi

Un Panel PC de Industrial Shields con Raspberry Pi integrada aloja el broker MQTT y el panel de Node-RED.

Función
Supervisión y control remoto
Software
Broker MQTT, Node-RED
Enlace
Ethernet a los dos PLC

Preguntas sobre este caso

¿Qué variables controla el sistema?

La humedad, el nivel de CO2, la temperatura con la ventilación y la iluminación de los diferentes espacios del invernadero, con una alerta cuando alguna sale de rango.

¿Cómo se conectan los sensores?

Los sensores de clima se conectan a los PLC por un bus I2C, con multiplexores I2C para cubrir toda la instalación. También se usan sensores digitales y analógicos.

¿Por qué dos PLC?

El cliente necesitó dos PLC Ethernet basados en Arduino para controlar toda la instalación.

¿Cómo llegan los datos al Panel PC?

Por Ethernet. Un broker MQTT en el Panel PC gestiona las peticiones y Node-RED gestiona la comunicación entre los PLC y el Panel PC.

¿Las luces son automáticas?

La humedad, el CO2 y el aire se controlan de forma automática. Las luces siguen la hora del día y también se pueden ajustar manualmente.

¿Se puede replicar el proyecto?

Sí. Empezó como una prueba para definir una base de hardware y software que el cliente pudiera escalar a otras instalaciones.

Descarga el caso de estudio

PDF de 4 páginas con el reto, la lógica, la arquitectura y el hardware. Sin formularios.

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