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

Resumen de la tesis: Garantizar la producción de alimentos es el mayor desafío de las próximas décadas para alcanzar la sostenibilidad a escala global. El cambio climático, el aumento de la población, la reducción de recursos hídricos y el aumento de los costos de transporte, entre otros, suponen dificultades en la producción de cultivos que requieren de soluciones innovadoras. En este contexto, la agricultura de interior y la agricultura vertical suponen alternativas cada vez más populares. Además, la introducción y el desarrollo de iluminación basada en la tecnología LED está permitiendo una mayor eficiencia energética. Sin embargo, la variedad de cultivos crecidos en estos sistemas es escasa hasta el momento, y se deben investigar las condiciones ambientales (espectro e intensidad luminosa, temperatura, humedad, nutrientes, etc.) específicos para cada especie vegetal de interés. 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 microcomputador, 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, para garantizar la funcionalidad y fiabilidad de las mismas. Mediante el sistema inteligente para la monitorización, el control y el registro de parámetros ambientales de la cámara de crecimiento, basado en el internet de las cosas, se ha conseguido la autonomía de la cámara. 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. El prototipo fabricado se ensayó en muestras biológicas mediante dos implementaciones prácticas realizadas en el Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC). 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. Se observó que la luz roja favorecía el crecimiento de las plantas procedentes de semillas tratadas durante 15 minutos con una intensidad de 100 µmol m-2 s-1 de luz roja. En la segunda implementación práctica se suministró radiación 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. En este caso, se determinó que la luz UV-B favorecía la acumulación de antocianinas en hasta un 46% con respecto al control. En conjunto, la presente Tesis Doctoral contribuyen al desarrollo de la agricultura basada en la iluminación LED, al proporcionar una cámara de crecimiento autónoma que controla de manera fiable las condiciones ambientales. El sistema ha demostrado su utilidad al estimular el crecimiento de dos especies de plantas (guisante y melón) y de material vegetal in vitro (raíces pilosas de zanahoria morada). Esto abre la posibilidad de su aplicación a otras especies en condiciones variables, para lo cual serán necesarias futuras investigaciones http://repositorio.bib.upct.es/dspace/