Contribución al desarrollo de sistemas inteligentes de monitorización y control de microclimas lumínicos basados en el Internet de las cosas y en las nuevas tecnologías SSL (Solid State Lighting). Aplicación a entornos agrícolas para el estudio del efecto sobre la germinación y crecimiento vegetal “in vitro

Abstract

[SPA] Los problemas asociados con la producción de alimentos, debido al cambio climático, el aumento de la población, la reducción de recursos hídricos y el aumento de los costos de transporte, entre otros, podría atenuarse mediante el desarrollo de conceptos tales como el de agricultura vertical (Despommier, 2011). El uso de cámaras de crecimiento comercial involucrados en el estudio de producción y de procesos biológicos en el crecimiento de plantas plantean ciertas limitaciones. En la presente Tesis se presenta una cámara de experimentación basada en un sistema modular de bajo coste, constituido por diferentes unidades modulares, en las que cada una realiza una función específica. Una unidad está compuesta por un grupo de sensores para medir la temperatura, la humedad, la iluminación, la radiación fotosintéticamente activa (PAR) y la radiación ultravioleta-B (UV-B). Otra unidad, conocida como microcontrolador, es la encargada de procesar la información proveniente de los sensores en tiempo real y enviarla a un microcompuntador, programado con código abierto para la automatización de la información para su procesado y envío a la nube. La información se muestra al usuario u operador del equipo en tiempo real a través de un interfaz gráfico conocido como HMI (Human Machine Interface). Otra unidad es la encargada de proporcionar el espectro de luz deseado a las muestras biológicas, y una última unidad es la encargada de controlar la temperatura y humedad en el interior de la cámara de experimentación a través de un sistema de climatización basado en celdas de Peltier. Para el sistema de iluminación se desarrollaron varios prototipos de luminarias con tecnología LED. Para el modelado y simulación de las diferentes luminarias patrón se seleccionaron chips LEDs para los espectros del UV-B, azul, verde, rojo y rojo lejano. Los parámetros físicos de estas luminarias se analizaron y ensayaron en la esfera de Ulbrich del laboratorio del fabricante Cifra (Cifra import, Murcia, España), y los parámetros biológicos de estas luminarias se analizaron y ensayaron mediante el empleo de sensores UV-B y PAR en el laboratorio del Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC, Murcia, España). El prototipo fabricado se probó mediante dos implementaciones prácticas: En la primera se suministró radiación monocromática roja a semillas de guisante y melón, para conocer su efecto sobre la germinación, la longitud, el peso fresco, el peso seco, y la actividad de determinadas enzimas antioxidantes. En la segunda se suministró radiación en el espectro del UV-B a cultivos in vitro de raíces pilosas de zanahoria morada, para evaluar su incidencia en la acumulación de biomasa y antocianinas de las mismas. Los resultados y ensayos realizados a las luminarias con la esfera de Ulbricht, cámara termográfica han permitido que se lleven a cabo los ensayos con un alto nivel de calidad, fiabilidad y seguridad que han evitado fallos durante los ensayos. Por otro lado, el sistema inteligente para la monitorización, control y registro de parámetros ambientales de la cámara basado en el internet de las cosas se ha conseguido que sea totalmente autónomo. El propio sistema es capaz de ejecutarse mostrando al usuario la interfaz gráfica con la monitorización de las variables, registrando y sincronizándose automáticamente con los servicios en la nube seleccionados. [ENG] Ensuring a sufficient crop prouduction is the main challenge of agriculture in the next decades worldwide. Climate change, increased population and reduction of water resources bring difficulties in crop production that demands innovative approaches. In this context, indoor and vertical agricultures are alternatives becoming more important. Moreover, the introduction and development of LED-based technology has led a higher energetic efficiency of the lighting technology. However, the variety of crops grown under these systems is scarce so far, and further investigations regarding the specific environmental conditions (light spectra and Intensity, temperatura, humidity, nutrients, etc.) for each plant species need to be conducted. This thesis presents an experimental growth chamber based on a low-cost modular system, made up of different modular units, in which each one performs a specific function. One of the units consists of a group of sensors to measure temperature, humidity, illumination, photosynthetically active radiation (PAR) and UV-B radiation. Another unit, known as a microcontroller, is in charge of processing the information from the sensors in real time and sending it to a microcomputer, which is programmed with open source for the automation of information for processing and sending it to the cloud. The information is displayed to the user or operator of the equipment in real time through a graphical interface known as HMI (Human Machine Interface). Another unit is in charge of providing the desired light spectrum to the biological samples, and a last unit is in charge of controlling the temperature and humidity inside the experimental chamber through an air conditioning system based on a Peltier cell. Several prototypes of luminaires with LED technology were developed for the lighting system. For the modeling and simulation of the different standard luminaires, LED chips were selected for UV-B, blue, green, red and far red spectra. The physical parameters of these lights were analyzed and tested in the Ulbrich area to ensure their functionality and viability (Cifra import, Murcia, Spain). On the other hand, the monitoring, control and recording of environmental parameters of the camera based on the Internet of Things has allowed the total autonomy of the system. The system itself is capable of being executed by showing the user the graphical interface with the monitoring of the variables, registering and automatically synchronizing with the selected cloud services. The manufactured prototype was tested in biological samples by conducting two practical implementations at CEBAS-CSIC. In the first one, monochromatic red light was applied to pea and melon seeds to determine its effect on germination, seedling length, fresh and dry weights, and the activity of some antioxidant enzymes. It was observed that red light increased growth of plants originated from seeds treated for 15 min at 100 μmol m-2 s-1 red light intensity. In the second practical implementation, light radiation in the UV-B light spectrum was applied to in vitro hairy roots from black carrots to know its incidence in plant growth, fresh and dry weight and concentration of anthocyanins. As a result, UV-B was observed to increase anthocyanin accumulation up to 46% with respect to control hairy roots. Overall, the present Doctoral Thesis contribute to the development of agriculture based on a LED lightning system, by providing an autonomous growth chamber that register the main environmental conditions. The system was proven useful to promote growth and development of two plant species (pea and melon) and in vitro plant material (black carrot hairy roots). This opens up the application of the growth chamber to other species and under varying environmental conditions, for which further research will be needed.