Maestría en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua

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https://repositorio.chapingo.edu.mx/handle/20.500.12098/942

El posgrado hace énfasis en una sólida formación analítica, lógica y matemática de sus estudiantes, para proponer soluciones formales a problemas del campo mediante la aplicación de métodos estadísticos, modelos matemáticos e inteligencia artificial.

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    Análisis de calidad de agua en un sistema acuapónico mediante redes neuronales y conglomerados
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2023-11) Santillan Illescas, Josue ; Pineda Pineda, Joel ; Fitz Rodríguez, Efrén ; López Cruz, Irineo Lorenzo
    La acuaponía es una técnica sustentable de producción de alimentos debido a su alta eficiencia en el uso del agua, nutrientes y energía. Sin embargo, es crucial mantener una concentración adecuada de oxígeno disuelto en el estanque de peces para prevenir la mortalidad de estos. El objetivo de este estudio fue analizar el comportamiento de las variables ambientales y de calidad de agua y su relación con el oxígeno disuelto en un sistema acuapónico a pequeña escala. El estudio se realizó en un invernadero en la Universidad Autónoma Chapingo durante el periodo de mayo 2022 a enero 2023 donde se estableció un sistema acuícola de recirculación cerrada y posteriormente un sistema acuapónico con cultivo de Tilapia (Oreochromis niloticus) y lechuga (Lactuca sativa). Las variables ambientales (temperatura del aire, humedad relativa y radiación fotosintéticamente activa) y de calidad de agua (oxígeno disuelto, temperatura del agua, conductividad eléctrica y pH) fueron monitoreadas durante el experimento. Se implementó una red neuronal para predecir la concentración del oxígeno disuelto en el estanque de peces con un 99.3% de eficiencia. Se realizó un análisis de sensibilidad de Garson para determinar las variables más importantes en el comportamiento del oxígeno disuelto. El análisis anterior se complementó con el análisis de correlación de Pearson, y el análisis de conglomerados tanto en el sistema acuícola como en el sistema acuapónico. La temperatura del agua, el pH y la conductividad eléctrica fueron las variables más influyentes en el oxígeno disuelto. El análisis de conglomerados mostró una tendencia negativa entre la temperatura del agua y del aire con el oxígeno disuelto, además de una relación positiva entre la humedad relativa y el oxígeno disuelto. Este trabajo establece una base para comprender las relaciones entre las variables ambientales y de calidad de agua dentro de un sistema acuapónico.
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    Análisis de flujo subsuperficial y propuesta de drenaje subterráneo en “La Cerona”
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2020-12) Hernández Facundo, Ángel ; Prado Hernández, Jorge Víctor ; Carrillo García, Mauricio ; Ruíz García, Agustín
    La presencia de nivel freático subsuperficial en áreas agrícolas afecta el desarrollo de los cultivos; para proponer una solución acertada a este problema es necesario elaborar una serie de estudios que permitan determinar la magnitud y origen del problema, para ello se instalaron 22 pozos de observación en el campo experimental “La Cerona” de la Universidad Autónoma Chapingo y se midió la profundidad del Nivel Freático de manera semanal en un periodo de diez meses. Se comparó el ascenso del Nivel Freático con las fechas de riego y con las elevaciones de la superficie libre del agua de los ríos adyacentes. Resultó que las perdidas por infiltración y percolación profunda debido al riego recargan de manera inmediata el Nivel Freático, los ríos no funcionan como drenaje natural y por lo tanto existe una afectación grave en un 30% del predio. Como alternativa de solución al problema existente se propone el diseño de un sistema de drenaje subterráneo, sin embargo, para seleccionar el modelo matemático más preciso en el cálculo de la separación de drenes subterráneos, se desarrolló un modelo físico que representa este fenómeno en el laboratorio y se comparó el comportamiento del perfil de agua observado contra el perfil calculado de acuerdo con las ecuaciones de Glover-Dumm y Kraijenhoff para régimen transitorio. Se utilizó suelo del estrato 4 y 5 del predio “La Cerona”, con densidades 1.22 g cm-3 y 1.46 g cm-3 respectivamente. El perfil de suelo fue saturado y se midió la variación de la carga hidráulica sobre los drenes en nueve piezómetros, así como, el volumen de salida durante 17 horas de dos drenes paralelos de 1.2 cm de diámetro, separados a 1.4 metros y pendiente de 1%. Los resultados muestran que la ecuación matemática más precisa es Glover-Dumm y la separación de drenes para el cultivo de maíz es de 21.5 m.
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    Análisis del flujo en una alcantarilla para riego
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2018-11) Arellano Choca, Roberto ; Carrillo García, Mauricio ; Ruíz García, Agustín ; Ruíz García, Agustín ; Navarro Gómez, Humberto Iván ; Vázquez Peña, Mario Alberto ; López Cruz, Irineo L. ; Contreras Magaña, Efraín
    Debido a las suposiciones en las ecuaciones para el diseño de estructuras hidráulicas, muchas veces el flujo no sigue el comportamiento real, por lo tanto, es necesario construir modelos físicos y numéricos para obtener resultados adecuados. Este trabajo presenta el comportamiento del flujo en un modelo físico y mediante simulaciones CFD 2D de una estructura hidráulica tipo alcantarilla, que muestra un funcionamiento hidráulico desde vertedor a orificio, incluyendo una zona de transición, la cual ha sido poco estudiada. Las características del modelo físico son: construido con un tubo de acrílico con diámetro D=4.48 cm y longitud L=50 cm, dimensiones referidas a una alcantarilla típica en carreteras, con capacidad de variaciones de carga de 0-30 cm en la entrada, dos bombas con capacidad de 0-1.5 y 0-2 l·s-1, un sensor ultrasónico HC-SR04 y un medidor de flujo FS400a. Las simulaciones se realizaron en ANSYS Fluent 18.2 con los modelos Volumen de fluido y K-épsilon. De los datos de tirante obtenidos de la operación del modelo físico (6.66-11.7 cm), la mejor ecuación para el caudal con funcionamiento de vertedor fue Q=1x10-06·H7.3224 con R2=0.920. Para cargas de 11.7-16.5 cm la ecuación de la zona de transición fue: Q=8.166·H-51.57 con R2=0.984. Finalmente, de 16.5 cm en la ecuación de orificio fue: Q=7.131·H0.8798 con R2=0.993; con base en la tendencia de las lecturas el comportamiento se puede aproximar a una ecuación para todas las zonas como: Q=-5x10-05·H3-0.235·H2+14.756·H-99.08 con R²=0.996. Con respecto a la simulación numérica, la mejor aproximación al modelo físico fue empleando el modelo Standard/Standard, en comparación con el RNG y Realizable. Aunque la zona de transición presenta curvatura, puede adoptarse un modelo lineal presentando 98 % de precisión. A pesar de estos resultados, se recomienda hacer simulaciones adicionales.
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    Análisis Térmico de un destilador simple en el proceso de producción de mezcal tipo artesanal
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2022-10-24) Marín Cabrera, Regina ; Villaseñor Perea, Carlos Alberto ; Pérez López, Artemio ; Mancera Rico, Arturo
    La elaboración de mezcal está integrada por varias operaciones unitarias como: cosecha, horneado, molienda, fermentación y destilación. Cada operación es importante, y en gran medida, depende de cada una el producto final. Sin embargo, una operación clave durante el proceso es el destilado, el cual garantiza que la bebida sea apta para el consumo humano. El mezcal es una bebida que desencadena una serie de actividades que activan la economía, desde la explotación de los campos para la obtención de la materia prima, hasta la venta del producto. Además de tener un impacto económico positivo en la región, esta actividad es netamente ecológica, pues está comprobado que el cultivo de agave ayuda en gran medida a la captación de CO2 del ambiente, pudiendo mitigar el calentamiento global, además que el cultivo requiere muy poca agua a diferencia de otros que son más exigentes ("Regeneration International", 2020). Del mismo modo, Ramírez-Sorroza (2018) encontró que el bagazo de agave es un biomaterial potencial con excelentes propiedades térmicas y altamente biodegradable a diferencia de otros materiales que tienen características muy similares (Ramírez-Sorroza, 2018). Sin embargo, la zona mezcalera de Oaxaca presenta una falta de mecanización, siendo todos sus procesos de elaboración meramente artesanales, por lo que es necesario eficientizar dichos procesos con el fin de obtener un producto de calidad y buenas ganancias monetarias. García-Vásquez et al. (2018) realizaron un estudio sobre distintos sistemas de producción en el Distrito de Tlacolula, detectando una gran experiencia en los productores, al tratarse de palenques familiares. El conocimiento en estos palenques ha sido transmitido de generación en generación, sin permitir que existan cambios significativos y que ayuden en la mejora de los procesos, lo que abre una oportunidad para hacerlo. 2 El abandono paulatino de los campos de producción ha conducido que exista un desabasto de agave siendo uno de los contribuyentes al encarecimiento del mezcal (Bautista, Orozco-Cirilo, y Terán-Melchor, 2015). Sin embargo, el mezcal tiene una gran ventaja al ser elaborado a partir de una amplia variedad de agaves (Agave angustifolia, Agave esperrima, Agave weberi, Agave potatorum, Agave salmiana, entre otros) de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-1994, a diferencia del tequila que solo puede ser elaborado a partir de Agave tequilana, mejor conocido como agave azul. La destilación es un proceso muy antiguo, que es implementado para la extracción de distintos fluidos (agua, agua de rosas, perfumes, combustibles, aceites comestibles y esenciales, entre otros), sin embargo, para el mezcal, los estudios son muy limitados, pues se trata de una bebida con denominación de origen en México (Carrillo-Trueba, 2007). Existen diferentes tipos de destilación, dentro de ellas la destilación simple es la más conocida para la obtención del mezcal. Sin embargo, los estudios de sistemas de destilación simple son muy escasos y existe información muy limitada (Sacher, García-Llobodanin, López, Segura, & Pérez-Correa, 2013). Por otro lado, los tipos de destilación continua y por lotes, son los más utilizados debido a las ventajas que estos ofrecen (Kim & Seo, 2014; Carvallo et al., 2011). Sin embargo, la destilación simple aún sigue siendo un reto que mejorar, para quienes aún la utilizan y que por cuestiones de costos no pueden emplear una más sofisticada. Esto abre una oportunidad para poder hacerlo, ya que hasta ahora la destilación simple carece de control en cuanto a la temperatura interna de la olla, la cual define los grados alcohol de salida. El estudio del análisis térmico de la destilación es de gran importancia, ya que a partir de éste se pueden obtener resultados que ayuden a implementar innovaciones para lograr mayor eficiencia en el uso de energía. Existen estudios de simulación para esta operación unitaria con programas como ANSYS, Aspen Plus, Prosim, entre otros, donde es necesario que previamente se haya realizado el trabajo anterior para obtener resultados exitosos (Kim & Seo, 2014). Sacher et 3 al. (2013) y Scanavini et al. (2009) presentaron en sus respectivas investigaciones la ecuación para obtener las pérdidas energéticas únicamente por convección de la olla. Lo que abre oportunidad para realizar el análisis del resto del sistema y tomar en cuenta las pérdidas por radiación y conducción. Algunos de los autores que han trabajado en esta área como Sacher et al. (2013) propusieron un modelo de equilibrio de fases para predecir la captación de distintos compuestos aromáticos obtenidos a partir de un destilador tradicional. Dichos autores modelaron la recuperación del etanol, así como la dinámica de condensación y los procesos de transferencia de calor, donde obtuvieron valores de bajo error en la predicción con respecto de los valores medidos. Así también, Osorio et al. (2004), desarrollaron un modelo para describir la destilación de aguardiente de pisco con una destilación discontinua reactiva multicomponente, donde el enfoque de simulación convirtió un sistema de ecuaciones algebraicas diferenciales a un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias, para después resolverlas y reemplazarlas con redes neuronales. De acuerdo con Osorio et al. (2004), la composición de la mezcla depende directamente de la temperatura y de la presión de equilibrio. Por otro lado, Valderrama et al. (2012) modelaron y simularon un sistema de destilación por columna con el fin de obtener los componentes de mezclas complejas. En dicho estudio emplearon redes neuronales para correlacionar datos experimentales, sin embargo, los resultados tienden a ser variables y no se pueden hacer generalizaciones. Los autores aseguraron que la concentración de componentes en el fluido depende de la temperatura a la cual se destila. Con este antecedente, se pretende que esta investigación contribuya a entender mejor el proceso de destilación del mezcal para lograr una reducción en el tiempo de proceso y un mayor control en los grados de alcohol en el destilado. Se propone como objetivo general: Analizar la transferencia de calor en un destilador simple en un proceso de producción de mezcal tipo artesanal. Los objetivos particulares son: a) Plantear una metodología para obtener un balance de energía en un destilador simple de mezcal tipo artesanal; b) Elaborar un monitor 4 de temperatura ; c) Monitorear la temperatura en distintas partes del destilador simple de mezcal tipo artesanal; d) Medir el contenido de alcohol en el mezcal durante el proceso de destilación. Esta investigación consta de tres capítulos. El primer capítulo presenta la introducción general compuesto de antecedentes, problema de estudio, hipótesis y objetivo general y particulares. El capítulo dos presenta una breve revisión de literatura con respecto al problema que se estudia. El capítulo tres consta de un artículo titulado: “Análisis térmico de un destilador simple en el proceso de producción de mezcal tipo artesanal”, donde además de presentar una metodología completa para la obtención de pérdidas energéticas del sistema, también se presentan mediciones con respecto a temperatura y grados de alcohol, y el balance de energía con los datos obtenidos en campo.
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    Balance hídrico para la planeación agrícola del arroz en el Valle del Cauca, Colombia
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2020-11) Valencia González, Jesica Natalia ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Vázquez Peña, Ramón ; Quevedo Nolasco, Abel
    El manejo de los datos climáticos permite conocer y abordar cuantitativamente la disponibilidad climática de un área determinada; para la adaptación o producción de cultivos, divulgando resultados a partir de información básica. El objetivo general fue Evaluar y analizar el Balance hídrico del arroz en el Valle del Cauca - Colombia para la planeación agrícola de éste en dos épocas de siembra. Se utilizaron nueve estaciones con información climatológica diaria las cuales permitieron, el relleno de datos faltantes de las variables precipitación, brillo solar, humedad, evaporación temperatura máxima y mínima; a través de los métodos: Razón normal (RN), Análisis armónico de la serie de Fourier (SF) y la distancia inversa al cuadrado (IDW). Posteriormente, se evaluó la evapotranspiración de referencia diaria (ETo) con las ecuaciones de Hargreaves Samani, Priestley y Taylor, García y López y Linacre; respecto a la ecuación de FAO Penman-Monteith, la obtención de las fechas de inicio del periodo de lluvias, el inicio de la estación de crecimiento y la duración de la misma a diferentes niveles de probabilidad y finalmente; la reducción del rendimiento de arroz a través de un balance hídrico diario para dos épocas de siembra en el programa Cropwat. Se identificó que la estación Independencia es la ubicación más representativa del área de estudio; por su disponibilidad hídrica y tipo de suelo, seguida por la estación Ciat Quilichao. En cambio, las estaciones más lejanas al área de producción de arroz exhibieron los valores más extremos en la reducción de rendimiento; exhibiéndolas como las estaciones de menos referencia.
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    Caracterización de mortero de cemento portland conteniendo agregado fino de pet (tereftalato de polietileno)
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2019-01) Vásquez López, Marcelino Benito ; Hidalgo Reyes, Martín ; Cano Barrita, Prisciliano Felipe de Jesús ; García Silva, Samuel
    Los envases de tereftalato de polietileno (PET) de desecho normalmente se disponen en el medio ambiente, generando problemas de contaminación. Buscando reutilizar este material, el objetivo de este trabajo fue caracterizar mortero de cemento Portland conteniendo partículas de PET como parte parcial del agregado fino natural, en proporciones volumétricas de 0 %, 5 %, 10 %, 15 %, y 20 %. La relación a/c utilizada en las mezclas fue de 0.55 con partículas de PET triturado con tamaños menores a 4.75 mm, excepto el control. Se fabricaron especímenes de mortero cúbicos (5 cm x 5 cm x 5 cm), cilíndricos (5 cm x 10 cm) y prismáticos cuadrangulares (4 cm x 4 cm x 16 cm). Se evaluaron propiedades reológicas en estado fresco, así como las mecánicas y de durabilidad de mortero en estado endurecido. Los resultados indican que las mezclas mantienen sus propiedades de trabajabilidad con proporciones <15 % de sustitución con respecto al control, debido a los valores similares del esfuerzo de fluencia e índice de consistencia. Con relación a las propiedades mecánicas, a medida que se incrementa la cantidad de PET se observa una disminución de la velocidad de pulso ultrasónico, la resistencia a la compresión, el módulo de elasticidad y la resistencia a la flexión. Sin embargo, la absorción de agua aumentó en los morteros conteniendo PET. Finalmente, el análisis de microscopía electrónica de barrido demostró que existe unión en resistencia mecánica del PET con la mezcla de mortero debido a la rugosidad del agregado, producto del proceso de triturado.
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    Caracterización eléctrica de robot agrícola y propuesta de diseño del centro de carga fotovoltaica
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2023-12) Berrocal Aguilar, Mónica Elizabeth ; Velázquez López, Noé ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; Ruíz García, Agustín
    Actualmente los llamados robots agrícolas han logrado tener importancia principalmente en países de primer mundo, se están desarrollando para un sinfín de actividades destinadas a la agricultura de precisión para obtener nuevas tecnologías como herramientas de apoyo al hombre. México toma la iniciativa de contribuir con ese tipo de tecnología, estableciendo la necesidad de la experimentación para mejorar el sistema con el que cuenta la Universidad Autónoma Chapingo. Por ello, el presente trabajo es una propuesta de diseño para un centro de carga fotovoltaica de un robot agrícola. En primer lugar, como uno de los objetivos específicos era revisar e inspeccionar las características de alimentación del robot, para conocer sus necesidades, en base a una prueba de tracción tomando como referencia la metodología descrita en la Norma mexicana NMX-O-233-SCFI-2019, ya que no existen normativas para robots, la cual fue realizada en las instalaciones del Centro Nacional de Estandarización Maquinaría Agrícola (CENEMA). Con ello, se midió la fuerza con la que el robot puede tirar o mover objetos para diferentes velocidades; además, se agregaron mediciones de consumo de corriente en todo momento de la prueba. La finalidad de este estudio es comprender y analizar el consumo energético del robot para calcular el tiempo aproximado que puede trabajar. Esta información es crucial para diseñar el centro carga fotovoltaica para que pueda abastecer energía a los agricultores en las parcelas, lo que es fundamental para su utilidad práctica en entornos agrícolas. El propósito final es ayudar a los campesinos proporcionado una solución energética sostenible y adecuada a sus necesidades. Los resultados obtenidos es que la propuesta de diseño del centro de carga fotovoltaica sea de tipo aislada, para la recarga de los componentes que requiere el robot en sus actividades como el uso de computadoras, bocina, celulares y recarga de baterías para su propio funcionamiento, sin tener que depender de energías convencionales garantizando labores de trabajo prolongados.
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    Caracterización físico mecánica del grano de haba (Vicia faba L.) para ocho variedades de México
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2019-01) Cuapantecatl Garrido, Norberto ; Velázquez López, Noé ; Ruíz García, Agustín ; Cruz Meza, Pedro
    Los costos y rendimientos bajos en cultivos básicos en el medio rural, así como el minifundio, en México hacen de la agricultura una labor poco redituable para los campesinos. Por lo anterior, el presente trabajo es parte del desarrollo de componentes para dar valor agregado al cultivo de haba (Vicia faba L.), como equipos de descascarado y clasificación mediante visión artificial. Se presenta la caracterización paso a paso de las propiedades físico mecánicas del grano de haba, de 8 variedades disponibles en el altiplano Mexicano: humedad [%] (base húmeda), dimensiones en 3 ejes [mm], área superficial [mm2 ], grosor del tegumento (cáscara) [mm], Esfericidad (Φ), Densidad (ρ) [g/mm3 ]., resistencia a la compresión [kN], desplazamiento [mm], energía absorbida (Ea) [J], módulo de proporcionalidad de deformabilidad (Ep) [MPa] y masa [kg]; Dichos ensayos se realizaron en los laboratorios correspondientes de la Universidad Autónoma Chapingo. El tamaño de muestra se definió en 30 granos por ensayo y se repitieron dichas pruebas, en sus 3 ejes (longitud, ancho, espesor), para cada variedad, finalizando con un análisis estadístico (prueba de Tukey). Con dichos resultados, se diseñó un disco de descascarado de 80 cm de diámetro, dispuesto por 28 cuchillas. El grosor del borde se basa en el grosor del grano y la velocidad de corte variable. El método (continuo), se diseñó un cilindro de descascarado con 90 cm de diámetro por 4 m de largo, con 40 cuchillas colocadas, a lo largo del diámetro, separadas a 30 mm; Finalmente, se desarrolló un equipo de clasificación de grano, utilizando visión artificial, con un programa que detecta el color de la cáscara de haba y los actuadores controlados electrónicamente para su separación. Mediante este sistema de clasificación, el costo del grano se incrementa de $ 8 a 15 pesos por kg a $20 a $30 pesos por kg.
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    Comparación del almacenamiento de agua en dos parcelas experimentales en Tepetlaoxtoc Estado de México
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2024-11) García Lemus, Iván Alejandro ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Ibáñez Castillo, Laura Alicia ; Vázquez Peña, Mario Alberto
    El objetivo principal del estudio fue evaluar la variación estacional del contenido de agua en el suelo mediante un análisis comparativo del balance hídrico a nivel diario en dos parcelas de evaluación, una de pastizal natural y otra intervenida con plantación de nopal (opuntia spp.) en la comunidad de Santo Tomás Apipillhuasco, Tepetlaoxtoc, Edo. Méx., México. Para ello se midieron de manera directa las variables de precipitación (P), temperatura y humedad volumétrica del suelo (en 30 cm y 60 cm de profundidad). La escorrentía superficial (ES) se estimó mediante el método del número de curva (NC). La evapotranspiración de referencia (ETo) se estimó mediante la ecuación Penman-Monteith. La evapotranspiración total (ET) se estimó con el coeficiente Kc de la cobertura vegetal. Durante la temporada de lluvias, la parcela intervenida con nopal retuvo más humedad en el suelo. En cambio, durante la época de estiaje, la parcela de pastizal natural mostró una mayor capacidad de almacenamiento de agua.
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    Construcción y pruebas de funcionamiento de un deshidratador por bomba de calor
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2021-12-17) Espinoza Gutiérrez, Felipe de Jesús ; Hahn Schlam, Federico ; Velázquez López, Noé ; Cruz Meza, Pedro
    El proceso de secado de productos agrícolas es realizado, generalmente, con deshidratadores que operan con la quema de combustibles y resistencias eléctricas para generar el calor del proceso, en un ambiente abierto, comunicado permanentemente con la temperatura y humedad relativa del ambiente; estas características hacen que el deshidratado tarde más de 24 horas, según el producto a secar, presentando daño en sus características organolépticas y fisicoquímicas. Por lo tanto, es necesario contar con un deshidratador que no sea afectado por la temperatura y humedad relativa del medio circundante y que sea capaz de deshidratar productos sin afectar sus características organolépticas principales (color, olor y sabor), aunado a un bajo consumo energético. Es aquí donde el desarrollo y construcción de un deshidratador por bomba de calor justifica su aplicación. Se construyeron prototipos de deshidratador por bomba de calor, empleando componentes principales de un equipo frigorífico comercial de 1/4 HP (compresor, condensador, evaporador y válvula de expansión), dichos componentes se adecuaron para funcionar en un ambiente cerrado, con recirculación total del aire de deshidratado y operando con humedades relativas inferiores al 20% en el interior de la cámara de deshidratación, de igual forma se implementó un termostato electrónico, que permite controlar la temperatura de deshidratado y un variador de potencia para regular la velocidad del aire. Adecuando los primeros prototipos y basando las mejoras en la teoría de los deshidratadores por bomba de calor, se obtuvo un equipo deshidratador vertical con 21 parrillas estáticas, que opera en un ambiente cerrado, con humedad relativa menor al 20%, temperatura controlada máxima de 55 °C y velocidad de recirculación del aire de 0.5 a 3.5 m/s. Con un consumo energético de 4.412 Kw/h por proceso de deshidratación de 5 horas y humedad relativa residual de 12% al deshidratar rodajas de manzana de 5 mm de espesor.
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    Construcción, automatización y evaluación de una minifábrica de plantas con iluminación artificial
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2022-12) Patiño Espejel, Joshua Esaú ; Ruíz García, Agustín ; Pineda Pineda, Joel ; López Cruz, Irinéo L;
    En México, se proyecta una población de 150 millones de habitantes para el año 2050. Para satisfacer la creciente demanda de alimentos en zonas urbanas y periurbanas, con una disponibilidad de recursos cada vez menor y frente a condiciones ambientales impredecibles, una alternativa es la producción de cultivos en interior con fábricas de plantas con iluminación artificial (PFAL). El objetivo de este trabajo fue construir, automatizar y evaluar una mini-PFAL para producción de lechuga. El diseño de la mini-PFAL se realizó considerando su adaptabilidad a diferentes cultivos en términos de densidad, espaciamiento y altura de las plantas. Se instaló un sistema de cultivo Nutrient Film Technique (NFT) de cuatro niveles y para proporcionar luz a las plantas se instalaron nueve lámparas LED de luz blanca en cada nivel. Haciendo uso de microcontroladores Arduino y plataformas del internet de las cosas (IoT) se desarrolló un sistema de monitoreo de variables fisicoquímicas de la solución nutritiva y ambientales, y de control automático dentro de la mini-PFAL. El sistema desarrollado permite la visualización en tiempo real mediante un smartphone de las mediciones de los sensores para conocer la condición real de la mini-PFAL, así como accionar de manera remota distintos actuadores para controlar los componentes dentro de la misma. La mini-PFAL se evaluó en tres ciclos de un cultivo de lechugas (Lactuca sativa L.), en cada ciclo se cultivaron 96 lechugas. El peso fresco y seco que alcanzaron las lechugas es comparable a lo reportado en la literatura para PFAL. El sistema desarrollado fue capaz de mantener de manera automática la humedad relativa y el pH de la solución nutritiva en el rango establecido. La miniPFAL construida permite producir lechuga que pueden usarse como fuente de alimentos para autoconsumo, o bien, escalarse como un modelo de producción semi-comercial.
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    Conteo automático de olivos mediante morfología matemática con imagenes adquiridas por sistema aéreo tripulado remotamente
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2019-11) Sarabia López, Ricardo ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; Romantchik Kriuchkova, Eugenio ; Olguín Rojas, Juan Carlos
    En el contexto de la agricultura inteligente, el conocimiento preciso sobre la población de plantas presentes en el campo, comprende una información útil, tanto para los agricultores como para los técnicos responsables del fenotipado de cultivo. En este sentido, el uso de Sistemas de Aeronaves Pilotadas a Distancia (RPAS) ha proliferado en los últimos años como respuesta a los métodos tradicionales para el conteo de plantas, que generalmente son laboriosos, requieren mucho tiempo y son propensos a errores humanos. Por lo tanto, se propone una metodología para la detección automatizada y conteo de olivos a partir de imágenes multiespectrales de alta resolución, adquiridas por imágenes aéreas. Posterior a la adquisición de imágenes, las capturas se procesaron para obtener una representación gráfica del campo basada en nube de puntos. Con el fin de aprovechar la información de elevación contenida en ella y eventualmente identificar las plantas, esta nube de puntos 3D fue interpolada determinísticamente y convenientemente transformada mediante morfología matemática. En una etapa final, los olivos que aparecen en la imagen se segmentaron del fondo, lo que permitió su detección. Se puede concluir la viabilidad de esta metodología como una solución para la automatización del conteo de plantas en huertos de olivos, como una forma de mejorar las capacidades de fenotipado en el campo.
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    Delimitación de zonas de riesgo a inundaciones en el río Metztitlán, Hidalgo
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2018-12) Ramírez Alcántara, Hugo ; Ibáñez Castillo, Laura Alicia ; Chávez Morales, Jesús ; Reyes Ramírez, Aurelio
    Se generaron mapas de riesgo e identificaron áreas susceptibles a inundación en 25 km del río Metztitlán, Hidalgo, México, utilizando la metodología del Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED), la cual considera el grado de peligrosidad, vulnerabilidad y exposición ante un evento extraordinario. Se utilizó el software de modelación hidráulica HEC-RAS, versión 5.0.5, que simula el comportamiento y dinámica de la superficie inundada, basándose en la geometría del cauce, coeficiente de rugosidad de Manning, datos de flujo, curva elevaciones-gastos y condiciones de frontera. Se realizó la simulación hidráulica en condiciones de flujo permanente y régimen subcrítico, la cual se calibró con información de la estación hidrométrica Venados (26042) del 27 de junio al 7 de julio del 2011 y se realizó la validación con el hidrograma del 7 al 15 de agosto del 2012. De acuerdo con varios parámetros estadísticos de ajuste entre niveles del río observados y simulados, el modelo resultó ser muy efectivo, lo cual genera confianza en su precisión para definir las zonas de riesgo, y si fuera necesario predecir niveles del cauce. El modelo calibrado presentó un coeficiente de Nash de 0.98 y el de validación de 0.94. Como resultado, se obtuvieron 6 mapas de riesgo ante inundaciones correspondientes a los diferentes periodos de retorno (5, 20, 50, 100, 500 y 1000 años), donde se observa un incremento en el área de inundación respecto a los periodos de retorno, afectando principalmente zonas agrícolas y asentamientos humanos.
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    Densidad de plantas de maíz en presencia de maleza con redes neuronales profundas
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2022-11) Mota Delfin, Canek ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; López Cruz, Irineo Lorenzo ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio
    La densidad de población de un cultivo se puede cuantificar mediante detección y el conteo remoto de plantas y está directamente correlacionado al rendimiento del cultivo. La obtención precisa de esta información ayuda a los agricultores a gestionar y controlar su producción. Sin embargo, las metodologías basadas en imágenes aéreas aún son un reto, debido a la complejidad de las condiciones del campo. En este contexto, se propuso el establecimiento de una base de datos que contiene imágenes aéreas del cultivo de maíz con malezas con el objetivo de implementar y evaluar la robustez de algoritmos de aprendizaje profundo para la detección y conteo de plantas de maíz en tales condiciones. Se realizaron diez misiones de vuelo, seis con una distancia de muestreo en tierra (GSD) de 0.33 cm/píxel en etapas vegetativas de V3 a V7 y cuatro con un GSD de 1.00 cm/píxel para etapas vegetativas V6, V7 y V8. Los detectores comparados fueron YOLOv4, YOLOv4 Tiny, YOLOv4 Tiny 3L, y las versiones de YOLOv5 s, m y l. Se evaluó cada detector en umbrales de intersección sobre la unión (IoU) de 0.25, 0.50 y 0.75 en intervalos de confianza de 0.05. Para niveles de confianza superiores a 0.35, YOLOv4 mostró mayor robustez en la detección ante los demás modelos. Considerando la moda de 0.3 para la confianza que maximiza la métrica F1 y el umbral IoU de 0.25 en todos los modelos, YOLOv5s obtuvo una precisión media promedio (mAP) de 73.1 % con una correlación R2 de 0.78 y raíz del error cuadrático medio relativo (rRMSE) de 42 % en el conteo de plantas, seguido de YOLOv4 con mAP de 72.0 %, R2 de 0.81 y rRMSE de 39.5 %. Las detecciones más bajas en todos los detectores se obtuvieron al evaluar las etapas vegetativas V6, V7 y V8 con GSD de 1.00 cm/píxel.
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    Desarrollo de sistema de aeronave pilotada a distancia y aplicación para levantamiento topográfico agrícola
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2020-11) Pérez Paredes, Juan José ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; Velázquez López, Noé ; López Cruz, Irineo Lorenzo
    La agricultura de precisión se caracteriza por identificar y manejar la variabilidad espacial y temporal, para maximizar los beneficios con el menor impacto ambiental, por lo que, se requieren de datos geolocalizados del campo que permitan tomar decisiones. Los sistemas de aeronave pilotada a distancia (RPAS) son una alternativa para monitorear el estado de los cultivos, estimar rendimientos, así como generar datos sobre características del suelo y la parcela, con este fin se desarrolló y evaluó un RPAS tipo cuadricóptero, basado en software y hardware abierto que permite la realización de vuelos autónomos y estables para la obtención de imágenes georreferenciadas en tiempo real y de forma secuencial con misiones de vuelo. El diseño del chasis del RPAS se hizo en Solidworks, modelándose los esfuerzos en la estructura y el centro de masa, mientras que en el diseño electrónico y de control se incluyeron: motores brushless, sensor GPS, acelerómetro, giroscopio y cámara RGB de alta resolución con antivibración. El control PID se ajustó y se programó el sistema de navegación autónomo de la controladora Pixhawk para realizar misiones planeadas con telemetría mediante “waypoints” y almacenando los datos obtenidos. La evaluación del RPAS se realizó en misiones de vuelo autónomas con una velocidad constante de 1 m/s, a una altura de 20m y con vientos no mayores a 5 Km/h. El consumo del RPAS fue de 1650 mAh por 7 minutos de vuelo y las vibraciones medidas fueron menores a 20 m/s/s, además el movimiento en los ejes “yaw”, “pich” y “roll” del vehículo fueron menores a 6 grados, obteniéndose una estabilidad con valores dentro de los parámetros recomendados por Bonney et al., (2020). También, se planificó una misión de vuelo con el prototipo, obteniéndose imágenes RGB que se corrigieron mediante puntos de control en tierra y, la nube densa de puntos generada se comparó con un levantamiento topográfico GPS en postproceso, siendo los errores absolutos y estándar de 0.020 y 0.024 m, respectivamente.
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    Desarrollo de un implemento robótico para el control de maleza con láser
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2024-11) Hernández Mercado, Alan ; Velázquez López, Noé ; Salazar Moreno, Raquel ; López Canteñs, Gilberto de Jesús
    Actualmente, uno de los mayores desafíos en la agricultura es el control de maleza cuya presencia disminuye hasta un 60% la producción del cultivo de maíz. Por consiguiente, se han desarrollado diversos métodos de eliminación, destacando entre ellas los mecánicos y químicos. El uso de herbicidas (principalmente el glifosato) ha sido vinculado a diversas enfermedades, como el cáncer. Una solución a este problema es la robótica. Por lo anterior el objetivo de este trabajo fue diseñar un brazo robótico SCARA con un láser de 80 W, para la eliminación de maleza en etapa temprana de crecimiento. El brazo tiene dos grados de libertad, controlados mediante dos motores a pasos (nema 23 y 17). El prototipo cuenta con sistema de enganche, dando un grado de libertad adicional permitiendo mayor movimiento al brazo, como implemento en el robot Voltan y tiene una longitud de 470 mm del origen del brazo al actuador final, cubriendo un área de trabajo de 0.24 m2. Se llevaron a cabo pruebas de corte con 7, 10 y 15 días de edad con diámetros promedio de 2.3, 3 y 3.4 mm, respectivamente. Se ajustó la altura del láser con un rango de 2-150 mm sobre el suelo. Ya construido el prototipo se realizó una calibración del sistema de visión con una cámara Logitech C920 que detecta las coordenadas (x, y) de la maleza y las envía a un Arduino realizando el movimiento de los motores y dirigiendo el actuador final. Los datos obtenidos se compararon con la posición de visión y la posición real física. El resultado de las pruebas con malezas, se obtuvo el error medio absoluto (MAE) de (x=0.000584mm) y (y=0.00141mm). Esta solución responde a la necesidad de reducir el uso de herbicidas, y también ofrece una alternativa sustentable.
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    Desarrollo de un sistema de siembra para un vehículo autónomo
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2020-11) García Hernández, Raúl Vidal ; Velázquez López, Noé ; Cruz Meza, Pedro ; Chávez Aguilera, Noel
    Este trabajo se enfocó en el desarrollo de una sembradora con dosificación autónoma y registro de semillas de maíz depositadas al suelo. Las funciones principales fueron: a) cortar la maleza y abrir el suelo, b) dosificar la semilla a distancias de 10 a 30 cm y c) regular la profundidad de siembra de cinco a diez cm. La solución óptima fue un sistema independiente con enganche pivotante al vehículo autónomo y dosificador mecánico de plato vertical. Se utilizaron dos motores eléctricos uno para accionar el cortador del suelo y otro para girar el dosificador. También se agregó una rueda de control de profundidad. La sembradora se instrumentó con un encoder incremental para medir la distancia y con un sensor óptico para conteo y detección de la caída de semillas. Todo se controló con una tarjeta Arduino ATmega 2560; programado para dosificar a cada 13 cm y una profundidad de siembra de 5 a 10 cm. El conjunto robot-sembradora se comportó estable con el sistema de visión artificial, el cual identifica dos líneas y se dirige por el centro de gravedad hasta terminar el surco y así girar mediante la función remota en la cabecera. Por lo que, para labranza tradicional (LT) se obtuvo un promedio de distancia entre semillas de 16 cm y para labranza sin rastrojo (LSR) se obtuvo una distancia entre semillas de 12.5 cm, esto indica que la sembradora tiene mejor funcionamiento en LSR. El dispositivo pesa 10 kg, el vehículo autónomo no tiene problemas en campo con la fuerza de tracción requerida y con ello se logró una dosificación variable de semillas de manera controlada y predefinida.
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    Desarrollo de un sistema de visión artificial para el monitoreo de producción de jitomate en invernadero
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2019-12) Zúñiga Ávila, Christian Israel ; Ramírez Árias, José Armando ; Fitz Rodríguez, Efrén ; Salazar Moreno, Raquel
    El monitoreo continuo de cultivos en invernadero, en conjunto con la automatización de sus procesos, permite hacer un uso eficiente de los recursos disponibles, tales como agua, energía, fertilizantes, suelo, mano de obra, entre otros; así como también mejorar la calidad, uniformidad y rendimientos en la producción. Con el avance tecnológico en los sistemas de visión artificial, actualmente se puede obtener información útil del estado de los cultivos, de manera no invasiva. En esta investigación se propone implementar un sistema de visión artificial para cuantificar el número, tamaño y estado de madurez de los frutos en un cultivo de jitomate bajo condiciones de invernadero. Esta información resulta útil para el pronóstico de rendimientos semanales y poder realizar una mejor planeación, tanto en el manejo de las cosechas, como en mejores estrategias de mercadotecnia. Se implementó un sistema de visión con una cámara estéreo RGB-D y algoritmos con redes neuronales de convolución para la detección y clasificación por grado de madurez de los frutos de jitomate. Con el sistema desarrollado se obtuvo una sensibilidad del 70 % (capacidad para identificar los frutos) y una precisión de 96 % (la probabilidad de que un objeto identificado sea un fruto de jitomate), en la detección de frutos bajo condiciones de invernadero. Por otro lado, se obtuvo una precisión del 94 % en la clasificación correcta de los frutos por estado de madurez. Para la estimación del peso de los frutos se implementaron varios algoritmos de procesamiento de imágenes para obtener características geométricas, las cuales se utilizaron como entradas en una red neuronal multicapa. En este último sistema se obtuvo una raíz del error cuadrático medio de 11.85 g, con un coeficiente de determinación R2 = 0.88.
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    Desempeño fisico-mecánico de un biocompuesto de matriz epóxica reforzado con fibra de Agave angustifolia Haw
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2018-12) Colin Torres, Jorge ; Hidalgo Reyes, Martín ; González Peña, Marcos Miguel ; Pérez López, Artemio
    En México, anualmente se generan cerca de 15.6 Mt de residuos agroindustriales entre los que destaca el bagazo de agave en la producción de bebidas espirituosas. Así, en 2017, se generaron cerca de 80 mil toneladas de bagazo derivados de la producción de 4 Mm3 de mezcal. En este estudio se desarrollaron biocompuestos de fibra corta de bagazo del Agave angustifolia Haw y se evaluó el desempeño físico-mecánico que presenta como refuerzo de una matriz de polímero epóxico de baja viscosidad en un biocompuesto laminar. Primero, se elaboraron paneles de 200x110x3.8 mm3 , para probar 12 combinaciones con tres contenidos (18, 24 y 30%) y cuatro longitudes de fibra (1, 3 y 6 mm, y mezcla), y se compararon con los paneles de resina sin fibra. Se realizaron pruebas de tracción paralela y de flexión de tres puntos. Después de seleccionar la mejor combinación, se evaluó el efecto del pretratamiento químico con bicarbonato de sodio, silano, e hidróxido de sodio, en la interfaz fibra-matriz para incrementar la resistencia mecánica (tracción, flexión, impacto y dureza) antes y después de la absorción de agua. Mediante Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) se observaron las superficies de fractura de las probetas ensayadas a impacto para conocer el efecto del tratamiento químico sobre las propiedades físico-mecánicas del material. Finalmente se evaluó el efecto que tiene la hibridación en la resistencia a la flexión. Los resultados obtenidos permiten observar una disminución de la resistencia mecánica (tracción, flexión) con la incorporación de fibras, sin embargo, el módulo de elasticidad aumenta en los dos modos de prueba. Los tratamientos químicos tienen un efecto positivo en la resistencia mecánica, sin embargo, tienden a disminuir el módulo de elasticidad. La resistencia al impacto mejora con la incorporación de fibras y con los tratamientos químicos. La hibridación tiene un efecto positivo en las propiedades de flexión del material biocompuesto. El tratamiento con bicarbonato exhibe el mejor comportamiento en todos los ensayos realizados.
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    Detección automatizada de florescencia en piña (Ananas comosus) mediante la combinación de aprendizaje profundo y tecnología de drones
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2024-11) Martínez Nicolás, Carlos ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; López Cruz, Irineo Lorenzo ; Velázquez López, Noé
    La detección precisa de la floración en cultivos de piña es esencial para la planificación de la cosecha y la gestión agrícola. Esta investigación tiene como objetivo implementar un sistema automatizado de detección de floración de piña utilizando drones y redes neuronales profundas, optimizando el monitoreo de cultivos y aumentando la eficiencia en su gestión. Se realizó el vuelo en la localidad de Juan Rodríguez Clara, Veracruz sobre un campo de piña en etapa de floración, utilizando un dron Mavic 3 RGB con una resolución espacial (GSD) de 0.25 cm/píxel. Se obtuvieron ortomosaicos a partir de los cuales se desarrolló una base de datos compuesta por más de 6,000 imágenes y 500,000 etiquetas de floración clasificadas en diversas condiciones lumínicas y climáticas, con el fin de evaluar la robustez de los algoritmos. Para el análisis de las imágenes, se implementó el modelo YOLOv11, que alcanzó una mAP@0.5 de 97.0% y una mAP@0.5:0.95 de 80.47%, con un nivel de confianza de 0.25, lo que indica un rendimiento alto en la detección de flores de piña. Se ajustaron parámetros clave como la tasa de aprendizaje inicial (0.001), el tamaño de lote (16) y el peso de la penalización por regularización (0.0005) para maximizar la precisión y la robustez del modelo. Se evaluaron los rendimientos del modelo YOLOv11 utilizando métricas clave como la precisión y el recall, que alcanzaron valores de 95.1% y 93.4%, respectivamente. El modelo se probó con diferentes umbrales de IoU (Intersección sobre Unión), siendo el óptimo 0.45, y en intervalos de confianza, lo que permitió refinar la capacidad de identificación del modelo en condiciones reales de campo. Los resultados muestran que la combinación de tecnología de drones y algoritmos de aprendizaje profundo, con el modelo YOLOv11 implementado, permite detectar y contar de manera automatizada la floración en piña con una alta precisión, proporcionando información valiosa para la planificación de la cosecha y la toma de decisiones agrícolas.