PROTOTIPO DEL DISEÑO DE INVERNADERO
AUTOMATIZADO PARA EL DESARROLLO DE
HABILIDADES DE METROLOGÍA EN
ESTUDIANTES DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
PROTOTYPING THE DESIGN OF AN AUTOMATED
GREENHOUSE FOR THE DEVELOPMENT OF METROLOGY
SKILLS IN ELECTRICAL MECHANICAL ENGINEERING
STUDENTS
Alejandro Sánchez Moreno
Universidad Veracruzana, México
Olga Regina Rosas Tolentino
Universidad Veracruzana, México
Ervin Jesus Álvarez Sánchez
Universidad Veracruzana, México
Guillermo Alvaro Hernandez Viveros
Universidad Veracruzana, México
Pablo Israel Guzmán Martínez
Universidad Veracruzana, México
pág. 1117
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.12347
Prototipo del Diseño de Invernadero Automatizado para el Desarrollo de
Habilidades de Metrología en Estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Alejandro Sánchez Moreno 1
alejasanchez@uv.mx
https://orcid.org/0009-0008-8228-4372
Universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica Xalapa
México
Olga Regina Rosas Tolentino
olrosas@uv.mx
https://orcid.org/0009-0004-4714-6565
Universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica Xalapa
México
Ervin Jesus Álvarez Sánchez
eralvarez@uv.mx
https://orcid.org/0000-0002-0790-0429
Universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica Xalapa
México
Guillermo Alvaro Hernandez Viveros
guilhernandez@uv.mx
https://orcid.org/0009-0009-7088-4669
Universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería
Mecánica Eléctrica Xalapa
México
Pablo Israel Guzmán Martínez
paguzman@uv.mx
https://orcid.org/0000-0002-3517-038X
Universidad Veracruzana, Unidad de Estudios
de Posgrado
México
RESUMEN
Este estudio explora la importancia del desarrollo de habilidades de programación electrónica y la
metrología, en la formación en estudiantes de la carrera de ingeniería mecánica eléctrica mediante la
comprensión del funcionamiento de los semáforos y control de un prototipo de invernadero
automatizado utilizando metrología, electrónica y programación. Se implementaron estrategias
metodológicas que incluyeron el diseño y programación del semáforo en Arduino, así como el uso de
sensores para mejorar su eficiencia. Los resultados obtenidos mostraron un mayor conocimiento en
electrónica, programación y parámetros de funcionamiento de los semáforos. Además, se destacó la
importancia de la automatización en la optimización de procesos, como en el caso del riego en un
invernadero controlado. Este estudio proporcionó una experiencia educativa significativa en el campo
de la ingeniería, demostrando la utilidad y versatilidad de la tecnología Arduino en aplicaciones
prácticas.
Palabras clave: metrología, prototipo, arduino, protoboard, matlab
1
Autor principal.
Correspondencia: alejasanchez@uv.mx
pág. 1118
Prototyping the Design of an Automated Greenhouse for the Development
of Metrology Skills in Electrical Mechanical Engineering Students
ABSTRACT
This study explores the importance of the development of electronic programming skills and metrology
in the training of mechanical and electrical engineering students by understanding the operation of traffic
lights and control of an automated greenhouse prototype using metrology, electronics and programming.
Methodological strategies were implemented that included the design and programming of the traffic
light in Arduino, as well as the use of sensors to improve its efficiency. The results obtained showed an
increased knowledge in electronics, programming and operating parameters of traffic lights. In addition,
the importance of automation in process optimization was highlighted, as in the case of irrigation in a
controlled greenhouse. This study provided a significant educational experience in the field of
engineering, demonstrating the usefulness and versatility of Arduino technology in practical
applications
Keywords: metrology, prototyping, arduino, protoboard, matlab
Artículo recibido 13 junio 2024
Aceptado para publicación: 16 julio 2024
pág. 1119
INTRODUCCIÓN
La Metrología es una experiencia educativa del área de formación disciplinar que se encuentra dentro
de la malla curricular de la carrera de Ingeniería en Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana,
la metrología es importante en la formación del estudiante de Ingeniería Mecánica Eléctrica, porque le
proporciona las herramientas para identificar las variables que intervienen en un proceso, así como
conocer las metodologías de calibración, las entidades nacionales e internacionales que norman este
proceso y a diseñar sistemas de adquisición de datos. Para ello es importante que el estudiante pueda
identificar las variables que intervienen en un proceso, con base en las leyes de la física, para seleccionar
el instrumento de medición que se ajuste a los requerimientos del proceso mismo y de las normas
nacionales e internacionales, mediante una actitud de seguridad, responsabilidad social. Por lo
consiguiente es necesario para enriquecer la experiencia heurística del estudiante sobre los saberes
teóricos de la experiencia educativa la aplicación metodologías de aprendizaje adecuadas como la
metodología de Aprendizaje basado en proyectos (ABPy), está metodología permite crear aprendizajes
gracias a la realización de una producción concreta. A través de una serie de etapas, los alumnos
colaboran, guiados por el o la docente, para responder a una problemática, resolver una situación o
responder a una pregunta, apoyándose en un tema que suscita su interés (Subsecretaria de Educación
Básica ,2022), por lo que un prototipo del diseño de un invernadero automatizado, empleando
componentes electrónicos como son los leds, resistencias, Arduino (placa y aplicación), conectores y
cable USB y claro la programación, será muy bueno para el control de los cambios de color, con ayuda
de algoritmos se podrán manejar los tiempos que cada uno de los colores tendrán y cada cuanto estos
deberían de ir cambiando, ya que el monitoreo preciso de la humedad es esencial en una amplia gama
de aplicaciones, desde la agricultura hasta la tecnología de construcción y la climatización. En la
investigación realizada se abordó la experiencia de la medición, comprendiendo las determinaciones
experimentales y teóricas a cualquier nivel de incertidumbre en cualquier campo de la ciencia y la
tecnología (Escamilla, 2015), es decir; sobre la metrología llevada a la práctica por los estudiantes,
contemplando el análisis, funcionamiento, calibración y las aplicaciones prácticas de un sensor de
humedad. Para el desarrollo de la práctica es importante que los estudiantes estén familiarizados con
algunos saberes teóricos y heurísticos, como lo es la programación con Arduino, que es un entorno de
pág. 1120
desarrollo integrado gratuito, puesto que el hardware y el software de Arduino son de código abierto, se
puede descargar el diseño del hardware de Arduino y construir el suyo propio o utilizarlo como punto
de partida para su propio proyecto, basado en Arduino dentro del diseño o, simplemente, para entender
cómo funciona Arduino, esto mismo con el software (Banzi & Shiloh, 2019), Arduino UNO es una placa
de microcontrolador basada en el ATmega328P. Dispone de 14 pines de entrada/salida digital (de los
cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un resonador cerámico de 16
MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un cabezal ICSP y un botón de reinicio.
También, es necesario aplicar la electrónica, por medio del protoboard, que es una placa de pruebas que
permite interconectar elementos electrónicos sin la necesidad de soldar componentes, se utilizan para
construir circuitos o sistemas electrónicos, se emplea normalmente para realizar pruebas experimentales
de circuitos electrónicos (Peña, 2020). Si la prueba es satisfactoria, el circuito se diseña en una placa de
cobre y se solda para evitar el riesgo de que se desconecte cualquier componente. Si la prueba no es
satisfactoria, es fácil cambiar las conexiones y reemplazar los componentes. Fritzing es una iniciativa
de hardware de código abierto para desarrollar software para diseñar hardware electrónico, que hace que
la electrónica sea accesible como material creativo para cualquier persona (Hoffman, 2018). Por lo tanto,
este programa permitirá a los estudiantes generar prototipos o convertir el diseño de circuitos en una
representación gráfica directa en la computadora, antes de que se monten en la práctica. El software está
escrito en lenguaje de programación C++, y usa el framework Qt. Por otro lado, debemos considerar el
empleo de Matlab, que puede ser utilizado en computación matemática, modelado y simulación, análisis
y procesamientos de datos, visualización y representación de gráficos, así como para el desarrollo de
algoritmos (Gilat, 2021), Matlab es empleado en la Universidad Veracruzana en cursos básicos y
avanzados en matemáticas, ciencias y, especialmente en ingeniería, por eso se contempla para esta
práctica, por su gran aporte en el desarrollo y diseño de prototipos. Se debe considerar, el saber teórico
sobre sensor de humedad del suelo FC-higrómetro, para esto se contempla el sensor FC-28 es un
higrómetro que tiene por objetivo medir y detectar el nivel de la humedad presente en el suelo. Este
sensor es ideal para monitorear el nivel de humedad las plantas y del suelo. Cuenta con un potenciómetro
integrado que permite ajustar el valor de umbral, cuando la humedad del suelo es menor a este valor la
salida digital mantendrá un valor “Alto”, cuando la humedad del suelo es superior al valor de umbral
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establecido, la salida digital del módulo conmutara a un estado “Bajo”. Son ampliamente empleados en
sistemas automáticos de riego para detectar cuando es necesario activar el sistema de bombeo (Juanjo,
2019). Para poder llevar a cabo este proyecto se trabajó con un invernadero controlado a través de un
dispositivo electrónico el cual nos informara la temperatura y humedad de este en todo momento, con
la finalidad de maximizar la producción y efectividad. Todo esto producido en conjunto con el software
Arduino. Con ello se pretende tener un funcionamiento controlado del riego que se le da al invernadero
mediante códigos enviados del Arduino a la placa y de esta a los sensores con los que se cuentan. Con
cada sensor se obtendrán los puntos necesarios en donde se requiera agua o la temperatura este sobre o
por debajo del indicado.
Finalmente, con el desarrollo de este trabajo se tiene como objetivo explorar la relación entre la
programación electrónica y la metrología, por medio del desarrollo de algoritmos de control que
aseguran que los instrumentos de medición funcionen correctamente y produzcan resultados confiables.
Es importante que los estudiantes analicen, comprendan y desarrollen sus habilidades con este tipo de
prácticas, ya que muchas aplicaciones, especialmente en la industria y la investigación científica, se
utilizan dispositivos electrónicos que requieren mediciones precisas y control automatizado.
METODOLOGÍA
La metodología utilizada en el estudio se centra en la aplicación práctica de conceptos teóricos a través
del diseño y desarrollo de prototipos tecnológicos por parte de los estudiantes de la carrera de Ingeniería
en Mecánica Eléctrica, con un enfoque aplicativo y descriptivo, y utilizando un diseño experimental y
observacional para evaluar el funcionamiento de los prototipos.
Práctica “Funcionamiento de un semáforo con Arduino”
El desarrollo se realizó desde 3 diferentes medios, el escribir las líneas de código en el software de
Arduino (ver ilustración 1) para posteriormente descargarlo en la placa física (hardware). Las líneas de
código son las indicaciones para la operación del semáforo que hace uso de las luces led de color, ver,
naranja y rojo. El familiarizarse con este software es el primer paso para llevar a cabo el cometido del
curso, el realizar un proyecto más complejo que hace uso de las herramientas que se usan en esta
práctica. Las líneas de programación fueron proporcionadas por el académico a cargo de facilitar la
experiencia educativa.
pág. 1122
Diagrama de Fritzing
Para realizar el prototipo del semáforo se hizo uso de fritzing (ver ilustración 2), ubicando cada uno de
los elementos utilizados para recrearlo como estaba en el protoboard, una vez que se tuvo listo el
diagrama se analizó muy bien que estuviera ubicado cada uno de los elementos involucrados, cuidando
que no se pasara algún error mínimo de equivocación (ver ilustración 3).
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Después de realizar las debidas correcciones, se cargó el código en Arduino para hacer funcionar el
semáforo, con 6 seg. para el rojo, 2 seg. para el amarillo y 4 seg para el verde (ver ilustración 4 y 5).
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Proyecto de invernadero automatizado
Práctica “Funcionamiento del sensor de humedad”
El desarrollo se realizó desde 3 diferentes medios, el escribir las líneas de código en el software de
Arduino (ver ilustración 6) para posteriormente descargarlo en la placa física (hardware). Las líneas de
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código son las indicaciones para la operación de las señales que recibirá el sensor para detectar alguna
particularidad si la tierra se encuentra seco o húmedo. El familiarizarse con este software es el primer
paso para llevar a cabo el cometido del curso, el realizar un proyecto más complejo que hace uso de las
herramientas que se usan en esta práctica. Las líneas de programación fueron proporcionadas por
académico a cargo de facilitar la experiencia educativa.
Diagrama de Fritzing
Para realizar el prototipo del sensor se hizo uso de fritzing (ver ilustración 7), ubicando cada uno de los
elementos utilizados para recrearlo como estaba en el protoboard, una vez que se tuvo listo el diagrama
se analizó muy bien que estuviera ubicado cada uno de los elementos involucrados, cuidando que no se
pasara algún error mínimo de equivocación (ver ilustración 8).
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Después de realizar las debidas correcciones, se cargó el código en el Arduino para así hacer funcionar
el sensor(ver ilustración 8), en este caso se toma un poco de tierra seca y se introduce el sensor este
automáticamente tiene de detectar que le falta humedad así que debe de prender un led, una vez ya
humedecido la tierra el led debe apagarse indicando que la tierra ya está húmeda (ver ilustración 9).
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Prototipo de invernadero automatizado
El prototipo de invernadero automatizado se realizó mediante una maqueta tipo pecera, donde se
organizan los cables, la bomba, los sensores y se acomodan buscando que su funcionamiento sea muy
bien diseñado y tenga un buen funcionamiento.
El desarrollo se inicia teniendo una base para la maqueta, teniendo en cuenta todo lo que se le agregara
de decoración, cableado, bomba, sensores y demás complementos para calcular como se acomodara
cada cosa (ver ilustración 10).
pág. 1128
Se comienza a analizar como será mejor el acomodo de cableado para un mejor funcionamiento y que
podamos ver cuando los leds se enciendan (ver ilustración 11).
Al tener todo muy bien pensado, se comienza a cubrir con el plástico toda la base que será utilizada
como invernadero a modo de que no se tengan fugas de agua cuando la bomba comience su función (ver
pág. 1129
ilustración 12).
Cuando se termina de cubrir la base, se asegura muy bien con cinta y se le agrega la decoración deseada,
teniendo en cuenta que se debe de ver el proceso de riego que se generara y a su vez todo lo que los
componentes analizaran.
Práctica: “uso del multímetro”
En esta práctica se busca realizar un análisis de un circuito (ver ilustración 13), con dos resistencias de
220 ohms, dos resistencias de 330 ohms y una pila de 9 volts.
pág. 1130
Se crea el circuito solicitado por el profesor, las resistencias se colocan en el protoboard a manera de
que este vaya formado conforme al circuito solicitado (ver ilustración 14).
Se conecta un puente a manera que se puedan medir las resistencias, en estas se pone un lado en las
resistencias 1 y 2 y la otra en las resistencias 3 y 4; esto para poder conectar la pila en el protoboard
conforme al circuito (ver ilustración 15).
pág. 1131
Una vez que el circuito está bien armado, se comienzan a realizar las cuentas necesarias para obtener sus
potencias y voltajes (ver ilustración 16).
Al tener listos todos los datos, se fueron comprobando con el multimetro, para ver si los datos obtenidos
manualmente eran correctos o no (ver ilustración 17).
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Invernadero automatizado (Parte final)
Una vez que se tiene la maqueta completa, se comienza a realizar el armado complementario de todo lo
que lo hará funcionar de una manera adecuada. Además se van tomando mediciones del prototipo y se
van realizando los planos para presentar datos más precisos de todo lo que es utilizado en la realización
de la maqueta (ver ilustración 18).
pág. 1133
Se coloca la manquera, a manera de que se de un riego adecuado (en espiral), esta se asegura con cinchos
para que no se caiga y aguante la presión del agua; también se comienza a pegar el tanque de agua (ver
ilustración 19).
Se siguen realizando el armado de circuito sobre la maqueta y para un mejor acomode se le da espacio
a todo el cableado evitando que los cables se revuelvan y que se distingan muy bien en donde se
encuentra cada sensor y la bomba de agua. Se revisa que estén muy bien colocados y en función para
comenzar con su funcionamiento (ver ilustración 20).
pág. 1134
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La necesidad de la práctica y su vinculación con la formación de los profesionales de Ingeniería es una
discusión que data de hace varias décadas, buscando a partir de diferentes estrategias una mayor
consolidación al medio que articule e impacte en la formación teórica; se plantea que la enseñanza tome
caminos predominantemente prácticos sobre aspectos de investigación, específicamente para el caso
particular de la ciencia de la Metrología
La implementación de la metodología de aprendizaje basado en proyectos (ABPy) en la creación y
desarrollo del prototipo de invernadero automatizado demostró ser una estrategia efectiva para
involucrar a los estudiantes en un enfoque práctico y colaborativo. A través de la realización de una
producción concreta, los estudiantes pudieron aplicar sus conocimientos teóricos en un contexto real, lo
que les permitió adquirir habilidades prácticas en metrología, electrónica y programación. Además, la
experiencia con el desarrollo de estas prácticas para el prototipo mostraron un aumento significativo en
el conocimiento de los estudiantes en áreas como electrónica, programación y control de parámetros. La
interacción con el sistema automatizado les proporcionó una comprensión más profunda de los
conceptos teóricos y prácticos relacionados con el funcionamiento de un invernadero y la importancia
de la metrología en este contexto.
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CONCLUSIONES
Con este proyecto se logró ayudar a los estudiantes a conocer algunos de los fundamentos de electrónica,
programación y parámetros que se manejan, así como de los diversos componentes que se utilizan para
que funcionen adecuadamente tanto sensores como actuadores en un prototipo.
También el manejar arduino y fritzing sirve en el proceso de aprendizaje en una modalidad práctica
virtual, ya que se pueden realizar pruebas sin que se presente el problema de dañar componentes al llevar
realizar una conexió no adecuada de los mismos.
De manera específica, el sensor de humedad permite enlazar todos los conocimientos de las áreas de
metrología, electrónica y programación con los parámetros que se manejan dentro del funcionamiento
de un invernadero automatizado, obteniéndose no solo beneficios académicos sino también el buscar
contar con proyectos aplicados en beneficio de la sociedad.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Banzi, M. & Shiloh, M. (2019). Introducción a Arduino. Cuarta edición. Editorial Anaya Multimedia.
Da Silva Santos , F., & López Vargas , R. (2020). Efecto del Estrés en la Función Inmune en Pacientes
con Enfermedades Autoinmunes: una Revisión de Estudios Latinoamericanos. Revista
Científica De Salud Y Desarrollo Humano, 1(1), 46–59. https://doi.org/10.61368/r.s.d.h.v1i1.9
Escamilla, Adolfo. (2015). Metrología y sus aplicaciones. Instituto Politécnico Nacional. Primera
Edición Ebook. México. Grupo Editorial Patria.
https://www.google.com.mx/books/edition/Metrolog%C3%ADa/YtJUCwAAQBAJ?hl=es-
419&gbpv=1&dq=metrologia&printsec=frontcover
Fernández, Y. (23 septiembre de 2022). Qué es Arduino, cómo funciona y qué puedes hacer con uno.
Xataka. https://www.xataka.com/basics/que-arduino-comofunciona-que-puedes-hacer-uno
Gilat, A. (2021). Matlab: Una introducción con ejemplos prácticos. (J.A. Macás, Trans.) Editorial
Reverté (Obra original publicada en 2006).
Juanjo. (27 de octubre de 2019). Medir la humedad de la tierra con Arduino y un higrómetro.
DitecnoMakers. https://ditecnomakers.com/medir-la-humedad-de-la-tierra-con-arduino-y-un-
higrometro-fc-28/CC-BY-NC-SA
Hoffman, J. (2018). Mastering Arduino. Primera edición. Packt Publishing.
pág. 1136
Icaza Cárdenas, C. K., Riquero Pincay, C. J., & Márquez Villegas, V. T. (2023). Comunicación
estratégica para el sector turístico sustentable. Emergentes - Revista Científica, 3(2), 70–87.
https://doi.org/10.60112/erc.v3i2.34
MathWorks.(2023). El lenguaje del cálculo técnico. Matlab.Consultado desde:
https://la.mathworks.com/products/matlab.html#:~:text=MATLAB%20es%20una%20platafor
ma%20de,desarrollar%20algoritmos%20y%20crear%20modelos
Martínez Hernández , R. (2023). Blended Learning en el aprendizaje de idiomas: Una revisión de la
literatura académica. Estudios Y Perspectivas Revista Científica Y Académica , 3(2), 113–138.
https://doi.org/10.61384/r.c.a.v3i2.36
Martínez, O., Aranda , R., Barreto , E., Fanego , J., Fernández , A., López , J., Medina , J., Meza , M.,
Muñoz , D., & Urbieta , J. (2024). Los tipos de discriminación laboral en las ciudades de Capiatá
y San Lorenzo. Arandu UTIC, 11(1), 77–95. Recuperado a partir de
https://www.uticvirtual.edu.py/revista.ojs/index.php/revistas/article/view/179
Peña, Claudio A. (2020). Descubriendo Arduino. Primera edición. Ciudad Autónoma de Buenos Aires.
Six Ediciones, 2020.
Rubio Rodríguez, A. D., & Leon Reyes, B. B. (2024). Actividades Deportivas para Mejorar el
Aprendizaje en la Materia de Física . Revista Científica De Salud Y Desarrollo Humano, 5(2),
398–409. https://doi.org/10.61368/r.s.d.h.v5i2.139
Ruiz Díaz Benítez, J. R. (2023). Diseño de una Arquitectura de Referencia en la Logística de
Abastecimiento Inteligente de Almacenes mediante el uso de Tecnologías de la Industria 4.0.
Caso Almacenes retail de la Ciudad de Pilar. Revista Veritas De Difusão Científica, 4(2), 55–
70. https://doi.org/10.61616/rvdc.v4i2.46
Subsecretaria de Educación Básica (2022). Metodologías. Aprendizaje Basado en Proyectos: la
metodología ideal para educar a los nuevos ciudadanos globales. Consultado desde:
https://educacionbasica.sep.gob.mx/aprendizaje-basado-en-proyectos/
Vidal-Silva, Cristian, Lineros, Matías I., Uribe, Guillermo E., & Olmos, César J.. (2019). Electrónica
para Todos con el Uso de Arduino: Experiencias Positivas en la Implementación de Soluciones
Hardware-Software. Información tecnológica, 30(6), 377-386.
https://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642019000600377
