Revista Nexos Científicos
Julio-Diciembre 2022 pp. 55-62
Volumen 1, Número 2
Fecha de recepción: octubre 2024
ISSN: 2773-7489
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Monitoreo y control remoto de un sistema hidropónico tipo NFT mediante IoT
Diego Pichoasamin1, Paul Astudillo2, María Gabriela Vera3, Patricio Paredes4, María Paula Calispa5
1,2,3,4,5 Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui - Carrera Electricidad, , Sangolquí – Ecuador
diego.pichoasamin@ister.edu.ec
Resumen: La tecnología IoT ha sido de gran ventaja en varios proyectos tecnológicos, entre ellos, la
aplicación en un método de cultivo alternativo conocido como cultivo de hidroponía tipo NFT, con el fin
de solventar las necesidades y reducir las pérdidas en el sector agropecuario, ya requieren de un control
y monitoreo riguroso. El objetivo de este trabajo fue construir un prototipo de un sistema NFT basado
en Iot con el fin de monitorear y controlar las variables climáticas como temperatura, humedad, nivel de
pH y automatización de riego, las cuales necesitan una rígida adecuación. Para esto, se consideraron
equipos que posibiliten la recolección de datos y el diseño de un interfaz en base a los parámetros del
cultivo. El micro-controlar ESP32 permite obtener datos en tiempo real y controlar las etapas o
condiciones a las que deben estar ajustadas. Para esto, se establece un interfaz IoT que supervisa cuando
se cumplen estas condiciones obteniendo mediciones en tiempo real de los cambios en las variables
climáticas, en un lapso de 3 meses, además recopilando datos de un cultivo tradicional para analizar la
eficiencia del sistema por medio de una comparativa. Finalmente, el análisis y monitoreo del cultivo
hidropónico se realiza a través de la interfaz de Arduino Cloud y la recopilación de datos a través del
microcontrolador ESP32. Los datos que se obtienen se almacenan en la nube de la interfaz que permite
la descarga de datos para su análisis.
Palabras clave: hidroponía, interfaz IoT, monitoreo, nutrición, automatización
Remote monitoring and control of an NFT hydroponic system using IoT
Abstract: IoT technology has been a significant advantage in several technological projects, including
applying an alternative cultivation method known as NFT hydroponic cultivation, to meet the needs and
reduce losses in the agricultural sector, which already require rigorous control and monitoring. This work
aimed to build an IoT-based NFT system prototype to monitor and control climatic variables such as
temperature, humidity, pH level, and irrigation automation, which require strict adaptation. For this,
equipment enabling data collection and designing an interface based on crop parameters was considered.
The ESP32 microcontroller allows for the obtaining of data in real time and the control of the stages or
conditions to which they must be adjusted. For this, an IoT interface is established that monitors when
these conditions are met, obtaining real-time measurements of changes in climatic variables over three
months and collecting data from a traditional crop to analyze the system's efficiency through a
comparison. Finally, the analysis and monitoring of the hydroponic crop are done through the Arduino
cloud interface and data collection through the ESP32 microcontroller. The data obtained is stored in the
cloud interface, which allows data download for analysis.
Keywords: hydroponics, IoT interface, monitoring, nutrition, automation
1. INTRODUCCIÓN
El crecimiento poblacional a nivel mundial ha
desencadenado una serie de desafíos en áreas
como urbanización, alimentación, salud y
transporte. En respuesta a estos problemas, el
avance tecnológico ha permitido desarrollar
soluciones
innovadoras.
En
el
ámbito
de
la
alimentación, una de las alternativas emergentes
es la hidroponía, que se define como una práctica
agrícola en la que el suelo tradicional es sustituido
por una solución nutritiva compuesta de agua,
nutrientes y fertilizantes. Este método facilita un
desarrollo más eficiente y beneficioso de los
cultivos, logrando un crecimiento más rápido y
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requiriendo menos esfuerzo por parte de los
horticultores. La hidroponía no solo optimiza el
uso de recursos, sino que también se adapta a
espacios reducidos, ofreciendo una respuesta
viable ante la creciente demanda de alimentos en
un entorno urbano (Swarup Sahoo et al., 2022)
Por otra parte, la demanda generada en el sector
alimenticio ha representado grandes avances en la
innovación tecnológica, implementando un
método alternativo de cultivo basado en espacios
reducidos para cultivar, ya que enfoca su
producción automatizada y supervisión remota,
mediante sensores que permiten recolectar
información para mantener los cultivos en
condiciones idóneas para su correcto desarrollo,
esto permite obtener un producto en corto plazo y
de calidad (Hafizi Rahimi et al., 2020).
La innovación tecnológica ha permitido que por
medio del internet de las cosas (IoT) se puedan
interconectar sensores y actuadores por medio de
una interfaz gráfica, esto permite que el usuario
pueda supervisar el estado del cultivo hidropónico
en tiempo real y tomar decisiones, para controlar
las variables del sistema. Para esto, Arduino
ofrece una interfaz IoT que permite recopilar
datos en la nube y gestionarlos dependiendo del
proceso. Además, ofrece una solución muy
amplia en Arduino Cloud donde se puede
programar las variables que se necesiten controlar
del sistema (Megha Nair et al., 2023).
Arduino Cloud proporciona diferentes métodos
de interacción entre los sensores, tarjetas de
desarrollo y actuadores, tales como API, REST,
HTTP (Hypertext Transfer Protocol), MQTT
(Message Queuing Telemetry Transport), al igual
que el uso de herramientas como JavaScript y
Websocket los mismos que utilizan un sin número
o gama de opciones en compatibilidad y
conectividad con hardware de terceros, pasarelas
y varios sistemas en la nube (Pawar et al., 2019).
La estructura de un sistema hidropónico NFT se
basa en tubos de PVC, que influyen como soporte
y fuente de nutrientes indispensables para el
cultivo, a través de la recirculación del agua (agua
+ compuestos químicos) en su interior por
periodos de tiempo establecidos por el usuario, de
acuerdo al cultivo. Esta solución contiene todos
los nutrientes de la tierra. Hay que considerar que
el cuidado de estos sistemas es demandante y
radical con cada accionar dentro del cultivo, para
el control y monitoreo (Purwalaksana et al.,
2022).
La arquitectura IoT permite que un sistema de
cultivo hidropónico sea más eficiente en la
gestión de recursos, por medio de los sensores
recopilan información y muestran al usuario en
una interfaz gráfica. Esto permite al usuario tomar
decisiones acertadas, permitiendo notificar y
accionar los actuadores cuando el entorno en el
que se encuentre se vea desfavorable y poder
controlar los parámetros deseados (Rathod et al.,
2021).
Los factores prioritarios de la solución nutritiva
en un cultivo hidropónico, debe estar compuesta
por 16 elementos esenciales entre los
primordiales el sodio, potasio, fosforo y calcio, ya
que al remplazar el suelo por el agua implica
mayor nutrición a través de porcentajes rigurosos
supervisados, destacando un sistema de
alimentación por goteo y recirculación
combinado con características de conductividad
eléctrica, ligera acidez entre 6.4 y 5.5 en el pH y
una temperatura entre 15 a 18 grados (Priya et al.,
2023).
Para el desarrollo de este tipo de diseños se
consideran métodos y materiales fáciles de
obtener, para la selección de la plataforma IoT se
debe evaluar que sensores y actuares utilizar, así
como la tarjeta de adquisición de datos, de tal
manera que se pueda obtener la visualización de
las variables que se estén monitoreando en el
cultivo, su almacenamiento para un posterior
análisis y evaluación de posibles fallas que se
puedan presentar. A la vez, es importante
considerar la disponibilidad de datos en el
sistema, ya que pueden verse alteradas variables
(Faustino et al., 2022).
El internet de las cosas (IoT) ha tomado gran
impacto en los últimos años en especial en el
campo de la agricultura ya que busca una
sostenibilidad y seguridad en el sector
alimenticio. Esto ha permitido solventar diversos
problemas en el sector agrícola, ya que al utilizar
este tipo de tecnología el usuario puede
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interactuar en tiempo real con el sistema de
cultivo y el usuario, de tal forma que permita
identificar señales de alerta y tomar decisiones
acertadas para prevenir o corregir fallas mediante
el uso de los sistemas automatizados, con el fin de
garantizar la calidad de los cultivos o productos
que se brindan a los consumidores (Montaño-
Blacio et al., 2023).
Los diferentes tipos de sistemas de cultivo
hidropónico nos permiten realizar agricultura
urbana, es decir no necesitan de mucho espacio.
Sin embargo, se debe tomar en consideración
diferentes variables climáticas como: la
temperatura en la que se van a mantener los
nutrientes, el porcentaje de la solución nutritiva,
la humedad para mantener una revisión constante
y evitar la acumulación de hongos y plagas que
pueden perjudicar el cultivo (Contreras &
Begovich, 2022).
La principal diferencia entre un cultivo tradicional
y un hidropónico radica en la forma de cómo se
aplican los fertilizantes, en el primero se aplica de
manera directa sobre las hojas lo que resulta
perjudicial para los consumidores, el segundo se
aplica en el flujo de solución que circula por los
tubos PVC. Además, una de las ventajas que
presenta este sistema hidropónico es que reduce
pérdidas de cultivos ya que se encuentra en un
constante monitoreo, lo que permite tener una
mayor producción y ahorro en el recurso hídrico
(Lakshmanan et al., 2020).
2. METODOLOGÍA
Este estudio empleó un enfoque experimental
para diseñar y evaluar un sistema hidropónico tipo
NFT integrado con IoT.
2.1. Planificación
El proceso metodológico incluyó:
▪ Diseño del Prototipo: Se construyó un sistema
utilizando tubos de PVC, sensores de
temperatura, humedad y pH, y un
microcontrolador ESP32. La estructura
permitió el monitoreo y control automatizado
de las condiciones del cultivo.
▪ Desarrollo del Sistema IoT: Se implementó
una plataforma de monitoreo en la nube
mediante Arduino Cloud, facilitando la
recolección y análisis de datos en tiempo real.
El sistema integró control manual y
automático de los actuadores.
▪ Pruebas y Recolección de Datos: Durante tres
meses, se monitorizó el sistema hidropónico y
se comparó su rendimiento con un cultivo
tradicional, enfocándose en variables clave
como crecimiento de las plantas y eficiencia
en el uso de recursos.
▪ Análisis Comparativo: Los datos recolectados
fueron analizados para evaluar la efectividad
del sistema IoT en mejorar la productividad y
calidad del cultivo en comparación con
métodos tradicionales.
2.2. Diseño
El sistema propuesto en la presente investigación
es un sistema hidropónico tipo NFT, que se
caracteriza por la recirculación de los nutrientes y
fertilizantes a través de su estructura compuesta
de una tubería PVC, con dimensión de1.0 m de
largo x 0.49 m ancho y 0.84 m de altura. Estas
dimensiones planteadas son consideras por la
separación que debe tener el cultivo para 18
plántulas de lechuga crespo. A diferencia de los
cultivos tradiciones donde se demanda de más
distanciamiento entre plantas, en hidroponía el
distanciamiento de cada uno de las plantas es de
15 a 20 cm, por esta razón, en el prototipo es
posible cultivar hasta 36 plantas siempre y cuando
se cumpla con los requerimientos necesarios en
niveles de nutrición y fertilizantes, para su
correcto desarrollo (Tambogon & Yumang,
2022).
Arquitecturas
Las variables que se consideran para el control del
cultivo de lechugas se basan en anteriores
investigaciones [6]. Para este tipo de cultivo se
recomienda mantener la temperatura, el nivel de
pH del agua y humedad relativa del ambiente en
un rango estable para su desarrollo. La
programación se realiza en una tarjeta ESP32 en
el software Arduino IDE y a través de sus entradas
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y salidas (digital/analógica) se recolectan
información del estado del cultivo, para realizar la
gestión de recursos mediante la activación y
desactivación de actuadores de forma manual y
automática desde la plataforma IoT. En la figura
1 se muestra la arquitectura general del sistema.
Figura 1. Diseño del sistema hidropónico propuesto
La estructura está hecha de tubos PVC de 3”
pulgadas [8] por donde fluirá la solución rica en
nutrientes, consta de dos niveles con una
inclinación de 2% para evitar la acumulación de
agua dentro del sistema, como se muestra en la
Figura 2.
Figura 2. Diseño del sistema hidropónico propuesto
Hardware
El sistema propuesto se fundamenta en la
recopilación de datos a través de sensores y su
procesamiento mediante un microcontrolador
ESP32, el cual gestiona la interfaz de usuario.
Para la alimentación del sistema, se emplea un
convertidor AC/DC que transforma una entrada
de 120 VAC a 5 VDC, proporcionando la energía
necesaria
para
el
microcontrolador.
Los
actuadores del sistema operan a 120 VAC, siendo
conectados a través de una regleta de conexión.
El microcontrolador seleccionado es un
NODEMCU-32S, que integra capacidades de Wi-
Fi y Bluetooth, permitiendo la programación
remota y la comunicación eficiente del sistema.
La interfaz del usuario ofrece la opción de elegir
entre control manual y automático, mientras que
los datos obtenidos son almacenados en la nube
para su posterior análisis. Además, el sistema
proporciona una visualización en tiempo real de
las variables relacionadas con el cultivo
hidropónico.
En la fase de pruebas, se realizaron las conexiones
pertinentes hacia los pines GPIO del ESP32,
integrando relés y sensores, cada uno con su
correspondiente sistema de procesamiento de
señales. Todas las conexiones fueron organizadas
en una caja plástica ubicada junto al sistema
hidropónico, facilitando el acceso y
mantenimiento. La unidad de control central se
situó en la parte superior del sistema, cerca de la
alimentación de la solución nutritiva, asegurando
visibilidad y operatividad del sistema para
posibles intervenciones.
Figura 3. Diseño del sistema hidropónico propuesto
Para el desarrollo de la programación, se utiliza
un microcontrolador de la familia SoC (System on
Chip), específicamente el modelo NODEMCU-
32S, que incluye capacidades de Wi-Fi y
Bluetooth en modo dual, permite la conectividad
y gestión eficiente de los datos. Para el
almacenamiento de datos, es necesario activar el
modo de descarga binaria presionando el botón
BOOT, configurando el RESET (0) y el BOOT
(1) como se detalla en las especificaciones del
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dispositivo, el diseño general del prototipo se
visuliza en la Figura 4.
Figura 4. Diseño de interacción del sistema Iot
La automatización de los horarios de riego de
acuerdo a horas necesarias para la nutrición del
cultivo es con el fin de nutrir a los cultivos de
manera óptima, las raíces de los cultivos
hidropónicos son de gran prioridad ya que al ser
tratadas debidamente este representa mayores
ventajas, siendo tal que dentro del sistema NFT
que permite un contacto directo de la raíz con la
solución hace que mejore la producción y
desarrollo del cultivo permitiendo tener en un
tiempo corto nuestros cultivos de calidad.
La recirculación de la solución nutricional es
necesaria en un lapso de tiempo debidamente
considerado para la correcta nutrición del cultivo
y evitar que exista un flujo excesivo que provoca
que las plantas se estresen, que deberían estar
entre 6 o 7 máximo. Además, dependiendo del
tamaño de longitud por donde circulara la
solución, ya que permite la uniformidad de los
componentes de los macronutrientes
Software
En esta sección se aborda el diseño del sistema de
monitoreo IoT para un prototipo de sistema
hidropónico NFT, destacando el uso de sensores
de bajo costo y sus condiciones operativas para la
monitorización eficiente del cultivo. El sistema
integra una plataforma de almacenamiento en
Arduino Cloud, permitiendo la recolección,
almacenamiento temporal y análisis de datos
clave como temperatura, humedad y pH. Además,
el sistema incluye un módulo de control que
facilita la visualización y gestión de parámetros
mediante gráficos interactivos. La interfaz de
Arduino IoT Cloud sirve como servidor para el
monitoreo y control de variables, ofreciendo a los
usuarios la posibilidad de accionar manualmente
los actuadores según las necesidades del cultivo.
Figura 5. Diagrama de flujo de las variables tratadas
Para la interconexión entre los elementos y la
interfaz del sistema, se utiliza el reconocimiento
serial, lo cual facilita la comunicación entre la red
WiFi-ESP32 y la interfaz IoT, permitiendo la
recepción de datos de los dispositivos vinculados.
Esta estructura permite el control de variables
críticas como la temperatura, donde el sistema
analiza los niveles registrados para activar
mecanismos correctivos: si la temperatura supera
los 20°C, el ventilador se enciende para reducirla,
y si cae por debajo de 15°C, el calefactor se activa
para mantenerla en un rango óptimo.
El sistema de control de humedad opera de
manera similar, activando la bomba 1 si la
humedad cae por debajo del 60% y el ventilador
si supera el 80%, garantizando un ambiente
adecuado para el cultivo. Asimismo, el control de
pH se gestiona mediante alarmas que alertan al
usuario cuando el nivel se encuentra fuera del
rango óptimo de 5.5 a 7, permitiendo
intervenciones manuales para ajustar el pH.
Todos los datos recolectados se reflejan en la
interfaz IoT para un monitoreo constante, y la
comunicación con el ESP32 asegura una
visualización eficiente para un análisis detallado
de las condiciones del cultivo hidropónico.
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En la Figura 6 se presenta el diseño de la interfaz
IoT implementada en el sistema de cultivo
hidropónico, la cual utiliza el protocolo MQTT.
Este protocolo, basado en un modelo de
comunicación de suscriptor y publicador, permite
una conexión eficiente para la visualización de
datos a través de la aplicación Arduino Cloud. La
interfaz IoT se encuentra protegida mediante un
sistema de autenticación que requiere un usuario
y contraseña, asegurando el acceso restringido y
la integridad de las variables monitoreadas.
Figura 6. Interfaz diseñada Arduino IoT Cloud
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se muestras los datos más
relevantes que se han obtenido del sistema
hidropónico NFT, su estructura está constituida
de plástico con una inclinación del 2% para evitar
la aparición de hongos o bacterias y el sistema IoT
que se utiliza para el monitoreo y control de las
variables ambientales en el cultivo. La interfaz
IoT se presenta de manera simplificada para que
el usuario pueda accionar de manera manual y
remota cada uno de los actuadores presentes en el
cultivo hidropónico, de acuerdo al estado de cada
una de las variables del cultivo.
Los datos adquiridos de cada variable permiten
analizar el comportamiento entre el cultivo
tradicional (cultivos en tierra) y el cultivo
hidropónico, con el fin de determinar la eficiencia
y evaluar su desarrollo en un periodo de 25 días
(4 semanas). Para esto es importante considerar
que el cultivo tradicional no tiene ningún sistema
de control sobre la siembra, a diferencia del
cultivo hidropónico que se controla y monitorea
de las variables de temperatura, humedad y pH del
sistema NFT.
El experimento se realizó con 18 plantas de
lechuga en el sistema hidropónico y 5 plantas para
el cultivo tradicional, en cuanto a los nutrientes
que se requiere en las plantas, para el primero se
consideró el cambio de solución nutritiva en un
lapso de 15 días para evitar cualquier exceso de
alcalinidad y en el segundo se realizó el aporte de
nutrientes por una sola vez. En la tabla 1 se
observa la evolución de las plantas de los dos
tipos de cultivos, donde se muestra datos tomados
diariamente por 25 días, los resultados muestran
que en el sistema NTF la planta llega a medir 14
cm en promedio y el cultivo tradicional llegan a
medir 10 cm en promedio, lo que muestra una
diferencia de 4 cm en este periodo y se demuestra
que el crecimiento es lento en este tipo de cultivos
En la figura 7 se muestra el crecimiento de las
plantas en función del tiempo en los dos tipos de
cultivo. En esta figura se puede ver que el cultivo
hidropónico brinda un mejor ambiente para el
desarrollo del cultivo.
Figura 7.Comparativa crecimiento cultivos hidropónicos
La información de las variables analizadas en el
cultivo hidropónico se almacenó en la nube de la
plataforma IoT, durante las 4 semanas que duro el
cultivo de la lechuga. Los datos obtenidos
permitieron determinar los valores promedio de
temperatura (17.49 ºC), la humedad (68.22%) y el
pH (6.61%). Estos valores indican que el control
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realizado cumple con los parámetros requeridos
por el cultivo para su correcto desarrollo.
En base a los siguientes datos se ha recolectado
información en el día más crítico dentro del
cultivo en un lapso de 24 horas en el cual se busca
actualizar y regular los parámetros ya
automatizados dentro de la programación y
registro en la nube, figura 8.
Figura 8. Interfaz diseñada Arduino IoT Cloud
4. CONCLUSIÓN
Hay que acondicionar el sistema de control a una
red WIFI con una señal de calidad para evitar
pérdidas de datos, así que podamos reducir la
interferencia de señal con interfaces, ya sea por
las condiciones climáticas o físicas del sistema.
Realizar un mantenimiento a los elementos e
interface para el tratamiento de señal y evitar
cualquier imperfecto, ya que un fallo particular
podría deshabilitar toda la función de lazos de
control debidamente programados.
Se determina que el ángulo de inclinación de los
tubos por donde fluye la solución nutritiva debe
ser tratada para evitar la acumulación de agua en
zonas donde se puedan generar plagas, hongos, o
hagan de la solución un tanto pastosa, lo cual sería
desventajoso para la nutrición de los cultivos.
Los horarios de riego a considerar dentro del
sistema NFT son prioritarios y deben ser
catalogados por el tipo de cultivo que vamos a
implementar. En esta ocasión se consideran las
lechugas hidropónicas, por lo que varían tanto en
la cantidad de solución como en la cantidad de
nutrientes como en horas que fluirán a un periodo
de 2 a 3 minutos de riego.
La influencia de la automatización de los equipos
resulto ventajoso para el crecimiento, cuidado y
calidad del cultivo, ya que es más eficiente que
alguien que se ocupa manualmente de cada
acción, así haciéndolo autónomo, podemos tomar
valores específicos y ayudar a su fiabilidad y
eficiencia de control.
En la comparativa, el desarrollo de los cultivos
hidropónicos determinando los tradicionales e
hidropónicos resultó en el control de temperatura,
humedad, pH y automatización de horarios de
riego en cuanto a su tamaño de crecimiento de 2,4
cm de ventaja promedio frente al tradicional de 1
cm de crecimiento semanal, desventajoso para el
comercio.
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