CULTIVO PROTEGIDO • MICROCLIMA VPD • FERTIRRIGACIÓN DE PRECISIÓN

Ingeniería de Riego en Invernaderos: Déficit VPD, Radiación Solar y Dosificación

En un entorno protegido, la lluvia natural no llega a las raíces. Presentamos el modelo de balance transpiratorio autónomo basado en el Déficit de Presión de Vapor (VPD), radiación solar de onda corta y fertirrigación proporcional A+B implementado en el microcontrolador ESP32-S3.

Los invernaderos y túneles agrícolas representan entornos totalmente controlados (Protected Cropping)[cite: 5]. Aplicar modelos agrometeorológicos de campo abierto en este ámbito provoca fallos agronómicos severos[cite: 5]. La precipitación exterior no humedece los cultivos bajo cubierta; en consecuencia, el bloqueo por lluvia debe anularse y el suministro hídrico y nutricional debe gobernarse estrictamente por la radiación solar y la transpiración estomática[cite: 5].

Principio de anulación de bloqueo por lluvia:

En el perfil de invernadero del controlador Waveshare 6CH, el algoritmo fija la precipitación efectiva exterior a cero ($ P_{\text{eff}} = 0 $)[cite: 5]. Durante una tormenta exterior, la transpiración vegetal bajo cubierta continúa de forma activa impulsada por la irradiancia y el estado higrométrico del aire[cite: 5].

1. Déficit de Presión de Vapor (VPD) y Fórmula de Tetens

La humedad relativa ($ RH $) por sí sola no cuantifica la fuerza real de succión atmosférica sobre el dosel vegetal[cite: 5]. El parámetro fisiológico determinante es el VPD (Vapor Pressure Deficit): la diferencia entre la presión de vapor saturado en el interior de la cavidad subestomática ($ e_s $) y la presión de vapor real del aire del invernadero ($ e_a $)[cite: 5]:

$$\text{VPD} = e_s - e_a \quad [\text{kPa}]$$

La presión de vapor saturado $ e_s $ a una temperatura $ T $ [°C] se calcula en el ESP32-S3 mediante la ecuación de Tetens[cite: 5]:

$$e_s = 0.61078 \times \exp\left( \frac{17.27 \times T}{T + 237.3} \right) \quad [\text{kPa}]$$

La presión de vapor real $ e_a $ se obtiene directamente a partir de la humedad relativa medida $ RH $ [%][cite: 5]:

$$e_a = e_s \times \left( \frac{RH}{100} \right) \quad [\text{kPa}]$$

Rangos agronómicos de control de VPD:

$ \text{VPD} < 0.4\text{ kPa} $ – Atmósfera saturada de humedad. La transpiración y el transporte de calcio se detienen; riesgo crítico de Botrytis cinerea (moho gris) y patógenos fúngicos[cite: 5].
$ 0.8\text{ kPa} \le \text{VPD} \le 1.2\text{ kPa} $ – Óptimo fotosintético. Los estomas se mantienen completamente abiertos, maximizando la fijación de CO2 y la absorción nutricional[cite: 5].
$ \text{VPD} > 1.6\text{ kPa} $ – Estrés hídrico severo. La demanda atmosférica excede la capacidad de succión radicular; los estomas se cierran para evitar la deshidratación[cite: 5].

2. Radiación Solar ($ R_s $) y Coeficiente de Sombreo

En cultivos bajo cubierta, la tasa transpiratoria está gobernada por la energía solar incidente[cite: 5]. El algoritmo toma la radiación solar global de onda corta $ R_s $ [W/m²] y aplica el coeficiente de transmisión de cubiertas y pantallas térmicas $ S_{\text{coef}} $[cite: 5]:

$$R_{\text{eff}} = R_s \times S_{\text{coef}} \quad [\text{W/m}^2]$$

La dosis volumétrica diaria por metro cuadrado $ D_{\text{m2}} $ [l/m²] se calcula modulando la necesidad base mediante los multiplicadores de radiación ($ M_{\text{rad}} $) y de déficit ($ M_{\text{vpd}} $)[cite: 5]:

$$D_{\text{m2}} = D_{\text{base}} \times M_{\text{rad}} \times M_{\text{vpd}} \quad [\text{l/m}^2]$$

El volumen hídrico total $ V_{\text{agua}} $ [litros] requerido para un sector de invernadero de superficie $ A $ [m²] resulta de[cite: 5]:

$$V_{\text{agua}} = D_{\text{m2}} \times A \quad [\text{litros}]$$

3. Automatización de Fertirrigación y Actuación en Waveshare 6CH

El controlador gestiona conjuntamente la electroválvula de sector hídrico (K1) y la bomba inyectora de concentrado fertilizante A+B (K2)[cite: 3, 5]. Los tiempos de trabajo se calculan a partir del caudal nominal de los emisores y bombas[cite: 5]:

$$t_{\text{K1 (agua)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{agua}}}{Q_{\text{goteo}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{segundos}]$$

El volumen de solución nutritiva se define según la concentración objetivo $ F_{\text{pct}} $ (normalmente entre 0.7% y 1.5% en volumen)[cite: 5]:

$$t_{\text{K2 (fertilizante)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{agua}} \times \left( \frac{F_{\text{pct}}}{100} \right)}{Q_{\text{fert}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{segundos}]$$

Perfil de Cultivo	Demanda Base ($ D_{\text{base}} $)	Proporción Nutriente ($ F_{\text{pct}} $)	Observaciones Agronómicas
Lechuga (GH_CROP_LETTUCE)	2.2 l/m²	0.7% (Baja CE: 1.1–1.4 mS/cm)	Enraizamiento poco profundo; muy sensible a salinidad radicular y quemadura de bordes (tipburn)[cite: 5].
Gerbera (GH_CROP_GERBERA)	4.5 l/m²	1.2% (CE media: 1.5–2.0 mS/cm)	Flor cortada; alta demanda de potasio e hierro quelado; sensible a asfixia radicular[cite: 5].
Tomate (GH_CROP_TOMATO)	5.5 l/m²	1.5% (Alta CE: 2.2–2.8 mS/cm)	Elevada transpiración estival; gran consumo potásico durante el engorde del fruto[cite: 5].

4. Enfriamiento Evaporativo y Descompresión de VPD (Nebulización K3)

En periodos de calor extremo estival, la ventilación pasiva o forzada resulta insuficiente, elevando el VPD por encima de 1.6 kPa[cite: 5]. El ESP32-S3 activa el relé K3 (Nebulización de Alta Presión) al cumplirse las condiciones límite higrotérmicas[cite: 3, 5]:

$$\text{Activar K3} \iff \left( T \ge 28.0^\circ\text{C} \quad \wedge \quad \text{VPD} \ge 1.60\text{ kPa} \right)$$

Las microgotas generadas se evaporan instantáneamente en el aire caliente absorbiendo el calor latente de vaporización (~2.45 MJ por kilogramo de agua). Esto reduce la temperatura foliar entre 3 y 6°C e incrementa la humedad, devolviendo el VPD al rango fotosintético idóneo[cite: 5].

Arquitectura de Despliegue: Control de Invernaderos en Waveshare 6CH

Implementado en el runtime greenhouse_irrigation.c, el motor de cómputo garantiza una actuación determinista directamente en el microcontrolador ESP32-S3[cite: 5]:

Autonomía Edge Total (Sin Nube): El cálculo en tiempo real de VPD, dosificación de agua y temporizadores se resuelve íntegramente en SRAM en menos de 2 ms[cite: 1, 4].
Precisión en la Inyección Proporcional: La conmutación sincrónica de la válvula K1 y la bomba dosificadora K2 previene la sobrefertilización o daños por salinidad en el sustrato[cite: 3, 5].
Seguridad por Watchdog Físico: Cada canal cuenta con un decrementador por interrupción hardware a 1 Hz, asegurando el apagado automático de válvulas y bombas ante cualquier anomalía de software o red[cite: 4].

Arquitectura diseñada y verificada para el ecosistema ProPresta IT sobre el controlador Waveshare ESP32-S3 6CH Relay[cite: 3, 4].