Software Engineering for a Mini-PFAL (Plant Factory with Artificial Lighting) with IoT Interconnectivity

RESULTS AND DISCUSSION

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System Control Operational Workflow Diagram

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Workflow diagrams are tools for tracing the flow of information, placing the actors in channels divided by blocks and interconnecting the data flows, in order to represent the behavior of the system. According to Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010., “…An activity diagram is similar to a flow diagram, and uses rounded rectangles to denote a specific function of the system, arrows to represent flow through it, decision diamonds to illustrate a branching of decisions”. This same author states that: “The use cases, together with the activity and channel diagrams, are oriented to the procedure. They represent how different actors invoke specific functions (or other procedural steps) to satisfy system requirements.

In the Mini-PFAL Networking system there are four actors: User, PFAL, PC and SmartPhone.

The user is the main actor who interconnects in the first instance with the Embedded System installed in the PFAL, hence the communication between the PC and the SmartPhone is selected by the user. The following diagram (Figure 2) describes the operational form of the behavior of the information flow of the system:

FIGURE 2. Information Flow Diagram of the PFAL Control System (Own Author).

Mini-PFAL System Model

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Carrying out the conjunction of class-based modeling and the channel diagrams of the use case model, the mapping and structuring of the general representative diagram of the project proposal was carried out, the result can be seen in Figure 3, reflecting interface design through a Unified Modeling Language (UML) diagram.

FIGURE 3. UML model for the interface design of the Mini-PFAL Vertical Farming System (Own Author).

As it can be seen, the channel diagram is divided into four sections, which brings together the analysis of requirements carried out in the preliminary project. Table 1 explains, in detail, the agents involved in the UML Model proposed for the design of the programming architecture.

TABLE 1. Operational description of the main blocks of the Mini-PFAL

Block	Operational Description of Information Flow
Server PC T	This block has as its central axis the GUI_PC class, which is the Graphical User Interface (GUI) based on Visual Basic language, it contains a class made up of CommunicationCOM, which manages a COM-type communication, which through a driver COM-USB, allows duplex communication via USB port, with the Embedded System, to obtain data from the input and output buffer that command the operating behavior of the PFAL and, in turn, feed back the data to be displayed in the GUI by means of graphic tools. On the other hand, it is composed of the DataBaseConnectivity (ODBC) class and the MicrosoftDataAcces Components. These two classes are related, the first is the tool for the interconnection of a local Accees DB and the second is the local DB created within the local server, which allows the PFAL data to be stored in the BD_Access, either through the USB connection or, failing that, by Internet connection with the NetworkConnection class
Embedded System	This block is the central starting core, which brings together the beginning and end of the remaining 3 blocks, where the hardware-oriented programming is structured, through the use of C++ language for programming an Atmega 2650 (Microchip, 2021MICROCHIP: ATmega2560, [en línea], Microchip, 2021, Disponible en: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2560, [Consulta: 20 de junio de 2021].). The MainSystem block represents the central core of the MCU where the control variables that operate the growth algorithms of the Mini-PFAL are assigned. As it can be seen in Figure 3, the embedded system is composed of three action elements (Actuators-ArtificialLightControl) and sensing (Sensors). The Sensors class breaks down into the acquisition of three variables: Temperature: Variable to measure °C, implementing an integrated HTU21D by I2C communication protocol. Humidity: Variable to measure %RH, integrated within the same integrated HTU21D. Luminosity: Variable to measure Lx, implementing an integrated BH1750 by I2C communication protocol. The Actuators class is responsible for the processing of 8-bit variables for the injection of the signal by pulse width modulation (PWM) to the power driver, this with the purpose of performing the displacement of a linear worm-crown mechanism, which is the responsible for displacing the artificial vision system for the evaluation of plant mass growth of crops through a real-time video processing algorithm (This system is not implemented in the UML diagram because it is a long-term improvement, but contemplated for future addition) The CommunicationBluetooth aggregation block is an output peripheral by means of an HC-06 module (Olimex, 2021OLIMEX: HC Information Technology Co., Ltd. Guangzhou, [en línea], Olimex, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-06/resources/hc06.pdf, [Consulta: 23 de junio de 2021].), with the capacity for master-slave duplex communication and vice versa. This allows the connection to the BluetoothConnection block which interacts with the mobile application to configure the variables of the embedded system and, in turn, it feeds back to the App in a Dashboard that allows the variables to be displayed in graphic forms and information display labels.
SmartPhone	The central class in this block is App_Interface, based on the XML Extensible Markup Language architecture. A dynamic and visually attractive App is made in Android Studio, for the remote management of the PFAL via SmartPhone. Data management is carried out in two ways: the first through the BluetoothConnection class, which allows configuring the PFAL and, at the same time, obtaining data all through the mobile App. On the other hand, there is also the WebServiceConexion class, which allows a biunivocal interconnection with the local DB, but also the connection with a site in the cloud through the Microsoft Teams Sharepoint tool.
WebService	The main axis is the NetworkConnection class where it is possible to add a connection with the SharePoint component that, in turn, can be linked with the PowerApps application, or simply link the connection with MicrosoftDataAccesComponents of the Server PC block, to link the data of the local DB and thus, carry out the consultation of the records stored in the DB, or in turn, update the data of the DB.

Deployment Design Descriptor Format

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In the Software Engineering methodology, according to Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010., the elements of the deployment design indicate the way in which the functionality of the software and the subsystems will be accommodated within the physical computing environment that will support it.

The information flow architecture, in the physical aspect, allows the traceability of the descriptor format that is presented in Figure 4:

FIGURE 4. Display diagram of the descriptor format of the Mini-PFAL vertical farming system (Own Author).

It can be seen that, as a whole, the system is made up of four nodes, where the interconnection of the components-nodes in the information flow of the wired and wireless information processing layers can be analyzed.

Electronic Diagram of the Embedded System of the Mini-PFAL

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The central core layer (Figure 5) composed of the electronic architecture, is designed through the implementation of an Atmega 2560 microcontroller Microchip (2021)MICROCHIP: ATmega2560, [en línea], Microchip, 2021, Disponible en: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2560, [Consulta: 20 de junio de 2021]., which acts as information traffic control manager, operating under a scheme of master to make the request of the variables to the slaves (sensor modules, Figure 7), in addition to processing and ordering the request data and managing the COM-USB port communication (Figure 6) by means of a PL2303 driver (Prolific, 2022), bidirectional WIFI communication intercom through an Esp8266 (ESPRESSIF, 2022) via Serial, Bluetooth connectivity implementing an HC-06 Serial module Olimex (2021)OLIMEX: HC Information Technology Co., Ltd. Guangzhou, [en línea], Olimex, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-06/resources/hc06.pdf, [Consulta: 23 de junio de 2021]., and some PWM and digital control outputs for LED lighting control , irrigation and linear displacement actuators of the Mini-PFAL, which can be seen in the electronic diagram of Figure 5, which is presented below.

As it is mentioned above, the PL2303 chip manages the USB to RS232 Bridge Controller communication, in this way the PFAL manages to connect via COM port with the Visual Studio desktop application for Windows and thus, manages bidirectionally the information traffic of the control variables (°C, %RH and Lux), to be managed with the VB ODBC Open Database Connector and manage the information to the Local Database (Figure 6).

FIGURE 5. Electronic schematic of the main control system of the Mini-PFAL (Own Author).

FIGURE 6. Electronic diagram of the USB-RS232 communication system for linking with the PC and firmware update (Own Author).

The sensor modules (slaves) communicate via RS-232 protocol with the main module (master). The request is made under the computational algorithm shown below, where the master, through its algorithm, manages the information traffic and administers it to the wired or wireless devices, depending on the connection in which the request is made (Figure 7). As the main core, the Atmega 328p is observed, which receives the request from the master via Serial, later it is interconnected via I2C to read the HTU21D and BH1750 sensors, thus collecting the variables of temperature, humidity and luminosity, to be delivered in format text to master via Serial.

FIGURE 7. Diagram of sensor modules (Own Author).

Finally, the control of the embedded system converges on a 3.5” TFT LCD TouchPad with 480x320 pixels (Figure 8), which performs the function of input and output interface to feed back the bidirectional data of the control and acknowledgment of system information, through of a graphical interface that is visually attractive and easy to operate. It allows having a menu with three options: Sensors, Graphs and Settings. The TouchPad interface allows configuring, consulting in real time the operational variables of the vertical greenhouse and making graphs of temperature, humidity and luminosity with a period of 300 samples per day.

FIGURE 8. TouchPad LCD Interface (Own Author).

Mini-PFAL Embedded System Component Level Design

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Implementing a batching process to the embedded system, a structured diagram is obtained that traces the flow behavior of the program as shown in Figure 6.

FIGURE 9. Master-Slave temperature, humidity and luminosity data request flowchart (Own Author).

Communication with the sensors is achieved under the RS-232 protocol, interconnected in a bus-type topology network, where 12 modules are interconnected in parallel to the Vcc, GND, Tx and Rx connections. The first part of the communication request has an address header to make the request to the 12 sensor modules interconnected in the system. The coincidence address allows the temperature, humidity and luminosity variables to be requested, so that the slave returns them to the master.

Component Level Design of Slave Sensor Modules

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The request described in a flow chart by the slave modules can be seen in the slave programming algorithm shown in Figure 10.

FIGURE 10. Flow diagram for sending temperature, humidity and luminosity data from the Slave-Master (Own Author).

As it can be seen, the diagram checks iteratively, with the first conditional, for the presence of packets in the COM port buffer and, at that very moment, all the slaves are put on alert, due to the nature of the topology bus type, reaching the information to all the slaves, but only one of them contains the request address that debugs the second conditional. Subsequently, the data are sent to the master to be managed by the algorithm of the diagram in Figure 6, to send the data via USB, Bluetooth or WIFI, respectively, with the implementation of the corresponding class blocks.

Embedded System Interface Design

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The Graphical User Interface for the main operation of the machine is based on the 480x320 TouchPad LCD control, installed on the front panel of the module (Figure 11), the user can navigate through three main menus interactively:

Sensors: Allows consulting the sensor modules interconnected in the PFAL, by multiplexed request in RS-232 protocol. In the Half-Duplex request response from the main MCU, the information return contains the quantized values of the variables "Temperature", "Humidity" and "Luminosity", which are displayed in the array of sensors shown on the panel. It is enough for the user to click on a green point of the matrix or select the option "Show All" to accuse all the information
Graphs: Shows the average values saved in an ArrayList in the course of 24 hours, approximately 300 samples per day are graphed
Settings: Access the main settings of the machine, such as light frequency, activation of irrigation cycles, machine test, etc.

FIGURE 11. TouchPad Panel Graphical Interface (Own Author).

Final Considerations

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As it has been seen, this article focuses on the application of the Software Engineering methodology, following the creation stages, namely: the requirements analysis and the design model, which, in turn, includes data design, architecture design, interface design and component level design (Mohapatra, 2010MOHAPATRA, P.K.J.: Software Engineering, Inst. New Age International, California, USA, 2010.)

The stages as a whole make up the software modules that interact in the multilanguage layers to implement the solution, both hardware (applied electronic design), WebApps programming, WareHouse Data management, IoT wireless interconnectivity, local DB management and Hosting.

The detailed explanation of the Hosting, Data Warehouse IBM (2021)IBM: ¿Qué es un Data Warehouse?, [en línea], IBM Db2 Warehouse, Edición Empresarial, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.ibm.com/mx-es/analytics/data-warehouse, [Consulta: 20 de junio de 2021]. and GUI layers is not implemented in detail in terms of the presentation of results, leaving this work in the continuation of the presentation of research results. The important points to be developed in the present presentation are based on the interconnectivity of data, the requirements analysis, the design model and, using the diagram formats, it was possible to refer the programming strategies used for the design of the mini-PFAL system.

The operational form of the software layers in their dynamic working cohesion set can be better outlined by implementing the System Layer Architecture as shown in the diagram of Figure 12.

FIGURE 12. Mini PFAL system layer architecture diagram with IoT interconnectivity for intelligent data management (Own Author).

The interrelated synergy of the software layers that interact in the system, allows the orderly management of data traffic, from obtaining the variables to the display of information on a "Dashboard", with dynamic, graphic and refined information, with a flexible and intelligent interaction for the user, giving a technical solution for modern agriculture, where the new farmer of the 21st century becomes a subject with technical knowledge in IoT operation with smart agriculture devices, which make up knowledge and skills in the management and use of BigData, AI, RA, VA, Drones, IoT, etc.

The set of the entire project in its functionality is a presentation of the quite ambitious results model, given that it is subdivided into 7 important parts:

Technical analysis of the system
Analysis of the applied mechanical design
Applied electronic design
Multi-platform computer system
Telecommunications and information traffic management
Artificial vision algorithms
Mathematical modeling of the PFAL system in operational mode
Study of crop growth, evaluation of yields, nutritional, etc.

The explanatory and detailed set of all these aspects requires a broader publication, so that each of the functional components of the proposed Mini PFAL IoT system can be broken down part by part.

INTRODUCCIÓN

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El modelo de agricultura vertical es propuesto en 1990 por el biólogo Dr. Dickson Despommier según Chamberlain, (2007)CHAMBERLAIN, L.: “Skyfarming”, New York Magazine, 24, 30 de marzo de 2007, Disponible en: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2560., quien acuña este término a la estrategia de siembra realizando el aprovechamiento de espacios para maximizar las áreas de cultivos. Con la entrada de la era de la agricultura 4.0 y el acceso con menores costos a infraestructuras tales como los dispositivos LED’s, sensores, procesadores, etcétera, la agricultura vertical se ha orientado a un término llamado Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial (Plant Factory with Artificial Lighting: PFAL), definida por Kozai et al. (2015)KOZAI, T.; NIU, G.; TAKAGAKI, M.: Plant factory: An indoor vertical farming system for efficient quality food, Ed. Springer, Academic ed., Singapore, 2015. como: “Estantería de múltiples cultivos con lámparas eléctricas en cada estante y posicionados verticalmente y que cuenta con otros equipos y dispositivos necesarios, tales como: acondicionadores y ventiladores de circulación de aire; unidades de suministro de CO₂ y soluciones de nutrientes; unidades de control del medioambiente”. El mismo autor plantea que posicionar más cultivos verticalmente, incrementa la eficiencia del uso del suelo, así como que, aunque las lámparas fluorescentes han sido fundamentalmente usadas en las PFAL, en la actualidad las lámparas de diodos emisores de luz (LED), están atrayendo una gran atención para estos usos Kozai et al. (2016)KOZAI, T.; FUJIWARA, K.; RUNKLE, E.: “Why LED lighting for urban agriculture?”, En: LED lighting for urban agriculture, Ed. Springer, Singapore, pp. 3-18, 2016..

El diseño automatizado, las TIC’s, BigData, Inteligencia Artificial y todos los nuevos fenómenos tecnológicos que están revolucionando la actualidad científico-técnica, se vinculan de forma correlacionada con el diseño de los PFAL, siendo más que nunca un factor de diseño sumamente importante el software, que les aporta un valor agregado tanto en el peso económico como de diseño de ingeniería en sistemas computacionales.

El Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE) define la Ingeniería de Software como: 1) La aplicación de un enfoque sistemático, disciplinado y cuantificable al desarrollo, operación y mantenimiento de software; es decir, la aplicación de la ingeniería al software; 2) El estudio de enfoques según el punto 1 (IEEE, 2021IEEE: An Annotated Bibliography for ISO/IEC/IEEE 42010, [en línea], 15 de octubre de 2021, Disponible en: http://www.iso-architecture.org/ieee-1471/docs/bibliography-42010.pdf, [Consulta: 29 de junio de 2021].).

Por otro lado, Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010. desglosa en cuatro ejes rectores la ingeniería de software: Herramientas; Métodos; Procesos; Compromiso de Calidad, donde los procesos forman parte de la administración del proyecto para generar los reportes, informes, modelos, escritos, etc. Por otro lado, los métodos son las actividades prácticas de modelación, construcción, programación y afinamiento del proyecto, finalmente las herramientas son un vínculo entre los procesos y los métodos que permiten la asistencia de los programas que permitirán la integración del entorno del proyecto.

De este modo se genera una sinergia entre la importancia de la Ingeniería de Software y diversas aplicaciones en la agricultura, tales como: Aplicaciones de Escritorio; App’s Móviles para Smartphone en sistemas Android y iOS; WebApp’s; SpaceApp’s; Servicios de internet y gestores de bases de datos dedicados a la agricultura.

Todas estas plataformas están basadas en estructuras de software y soportadas en multilenguaje que les permiten programar sus funciones operativas. Asimismo, la correlación arquitectónica de su diseño se basa en la aplicación correcta de las metodologías de Ingeniería de Software según Zielinski & Szmuc (2005)ZIELINSKI, K.; SZMUC, T.: Software engineering: evolution and emerging technologies, Ed. IOS Press, vol. 130, California, USA, 2005, ISBN: 1-58603-559-2.; Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010.; Serna (2010)SERNA, M.E.: “Métodos formales e Ingeniería de Software”, Revista Virtual Universidad Católica del Norte, (30): 1-26, 2010, ISSN: 0124-5821, Disponible en: https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=194214476008, [Consulta: 21 de agosto de 2021]., lo que hoy en día está tomando mayor terreno en el diseño de programas computacionales para aplicaciones en la agricultura en todo su contexto.

El desarrollo de la agricultura vertical según Farminova Plant Factory (2021)FARMINOVA PLANT FACTORY: The Future of Agriculture, [en línea], Cantex Group, 2021, Disponible en: http://www.farmicova.com, [Consulta: 20 de marzo de 2022]., fábricas verdes o la tendencia Indoor, se encuentra concentrado en su mayoría en países líderes en este campo, tales como: Canadá, Japón, Taiwán, China, Estados Unidos, Países Bajos y algunos países europeos (Tsukagoshi & Yutaka, 2016TSUKAGOSHI, S.; YUTAKA, S.: Plant Factory. An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production, Ed. Elsevier, Current Status and Perspectives ed., vol. Chapter 3 PFAL Business and R&D in the World, 35-68 p., publisher: Academic Press: London, UK, 2016.). No obstante, las metodologías de Ingenierías de Software, en el ámbito de los PFAL, no son casi publicadas o la información es escasa. Estos países lideran el diseño, construcción e investigación de los PFAL mientras que otros países, como los latinoamericanos, se encuentran adentrándose en procesos de investigación según Ocampo et al. (2014)OCAMPO, R.A.; HERNÁNDEZ, G.L.H.; FERNÁNDEZ, V.D.; FERNÁNDEZ, V.D.; CERVANTES, B.R.: “Análisis estático de los esfuerzos y deformaciones de la estructura de un Invernadero tipo Ventila Cenital ubicado en Veracruz”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(4): 10-16, 2014, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054. para analizar su viabilidad, lo cual muestra el atraso de la agricultura urbana, periurbana y popular, no aprovechándose las ventajas del uso de las TIC’s y otras herramientas tecnológicas en la era de la agricultura 4.0, lo cual conlleva al ejercicio de la reflexión sobre la importancia que están tomando hoy en día las AgroApp’s (por así nombrarlas) en el nicho de la agricultura moderna.

En este trabajo se exponen los resultados de una investigación que se ha trazado como objetivo general: Diseñar software para control y monitoreo de sistema de cultivos verticales Mini-PFAL, para la producción a baja escala de hortalizas agrícolas.

Dicho sistema cuenta con programación orientada, hardware basado en sistemas microcontrolados, que operan sensores y actuadores. De igual forma establecen interconexión de datos a una PC, Interfaz Gráfica de Usuario para monitoreo de los variables procesadas, interconexión a bases de datos (BD) local para el resguardo de información e interconexión inalámbrica vía Bluetooth y WIFI.

Asimismo, se trazó como objetivos específicos los siguientes:

Diseñar algoritmos de control de lazo cerrado de iluminación y riego en sistemas micro-controlados;
Diseñar Sistema de Gestión de Bases de Datos (SGBD) Local-Host con acceso a Internet;
Diseñar algoritmos de retroalimentación de crecimiento de masa vegetal, temperatura, intensidad luminosa y humedad relativa;
Interconectar BD local con la Interfaz Gráfica de Usuario (GUI), para control del sistema de cultivos verticales;
Diseñar control inalámbrico Bluetooth con aplicación móvil basada en Android Studio;
Diseñar conectividad WIFI para la gestión de datos en un Host en la nube.

MATERIALES Y MÉTODOS

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Para el análisis de los requerimientos para el diseño de software para control y monitoreo de sistema de cultivos verticales Mini-PFAL, para la producción a baja escala de hortalizas agrícolas, se ha tenido en cuenta tanto las características operacionales, como el plan del proyecto y el modelo de análisis.

En cuanto a las características operacionales se tienen en cuenta las siguientes:

Programación de Interfaz gráfica de Usuario de alto nivel en lenguaje Visual Basic (VB);
Programación de microcontroladores (MCU) para instrumentación del sistema, con panel TFT 3.5” con resolución de 320x480 RGB e interfaz TouchPad;
Programación aplicación móvil en lenguaje JAVA para control de sistema con conectividad Bluetooth;
Diseño de Base de Datos con gestor de Access y SQL Server e interconexión remota con aplicación de SharePoint;
Implementación de Dashboard en Power Apps para interconexión con el servicio de SharePoint;

En el plan del proyecto se tiene en cuenta el trazado de requerimientos de sistemas bajo los siguientes diagramas:

Aplicación de escritorio: Diagrama de flujo, diagrama UML y diseño de propuesta de formularios;
Aplicación de MCU’s: Diagrama de flujo y pseudocódigo;
Aplicación Móvil: Diagrama UML y diseño de propuesta de formularios
Bases de Datos: Diagramas de Entidad-Relación

Para configurar el modelo de análisis de la propuesta de sistema, se opta por implementar un diagrama de flujo de datos (DFD), recabando la información de las características operativas el resultado el DFD Nivel 0 como se muestra en la figura 1.

FIGURA 1. DFD Nivel 0 del Sistema de Cultivos Verticales Mini-PFAL (Autoría Propia).

La metodología de diseño propuesta para Mini-PFAL se muestra en el siguiente diagrama:

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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Diagrama de Flujo de Trabajo Operativo de Control del Sistema

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Los diagramas de flujo de trabajo son herramientas para realizar el trazado del flujo de información, colocando los actores en canales divididos por bloques e interconectando los flujos de datos, para de ese modo representar el comportamiento del sistema. Según Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010., “…Un diagrama de actividades es similar a uno de flujo, y utiliza rectángulos redondeados para denotar una función específica del sistema, flechas para representar flujo a través de éste, rombos de decisión para ilustrar una ramificación de las decisiones”. Este mismo autor plantea que: “Los casos de uso, junto con los diagramas de actividades y de canal, están orientados al procedimiento. Representan la manera en la que los distintos actores invocan funciones específicas (u otros pasos del procedimiento) para satisfacer los requerimientos del sistema.”

En el sistema Mini-PFAL Networking existen cuatro actores: Usuario, PFAL, PC y SmartPhone.

El usuario es el actor principal que se interconecta en primera instancia con el Sistema Embebido instalado en el PFAL, de allí la comunicación entre la PC y el SmartPhone es seleccionada por el usuario. El siguiente diagrama (Figura 2) describe la forma operativa del comportamiento del flujo de información del sistema:

FIGURA 2. Diagrama de Flujo de Información del Sistema de Control del PFAL (Autoría Propia).

Modelo del Sistema de Mini-PFAL

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Realizando la conjunción de modelado basado en clases y los diagramas de canal de modelo de caso de uso, se procedió a realizar el mapeo y la estructuración del diagrama representativo general de la propuesta del proyecto, el resultado se puede apreciar en la Figura 3, reflejándose el diseño de la interfaz a través de un diagrama de lenguaje unificado de modelado (UML).

FIGURA 3. Modelo UML de diseño de la interfaz de Sistema de Cultivos Verticales Mini-PFAL (Autoría Propia)

Como se puede observar el diagrama de canal está dividido en cuatro secciones, lo que conjunta los análisis de requerimientos realizados en el anteproyecto, la Tabla 1 explica de forma detallada los agentes que interviene en el Modelo UML propuesto para el diseño de la arquitectura de programación.

TABLA 1. Descripción operativa de los bloques principales del Mini-PFAL

Bloque	Descripción Operativa de Flujo de Información
Server PC	Este bloque tiene como eje central la clase GUI_PC, la cual es la Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) basada en lenguaje Visual Basic, contiene una clase compuesta de CommunicationCOM, la cual gestiona una comunicación tipo COM, que por medio de un driver COM-USB, permite una comunicación dúplex vía puerto USB, con el Sistema Embebido (Embedded System), para obtener datos del buffer de entrada y salida que comandan el comportamiento operativo del PFAL y a su vez retroalimentan los datos para ser mostrados en la GUI por medio de herramientas gráficas. Por otro lado está compuesto de la clase DataBaseConnectivity (ODBC) y MicrosoftDataAccessComponents. Estas dos clases están relacionadas, la primera es la herramienta para la interconexión de una BD local de Access y la segunda es la BD local creada dentro del servidor local, lo cual permite almacenar los datos del PFAL en la BD_Access, ya sea por medio de la conexión USB o en su defecto por conexión a Internet con la clase NetworkConnection
Embedded System	Este bloque es el núcleo central de arranque, que congrega el inicio y fin de los 3 bloques restantes, donde se estructura la programación orientada a hardware, a través del uso de lenguaje C++ para la programación de un Atmega 2650 (Microchip, 2021MICROCHIP: ATmega2560, [en línea], Microchip, 2021, Disponible en: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2560, [Consulta: 20 de junio de 2021].). El bloque MainSystem representa el núcleo central del MCU donde se asignan las variables de control que operan los algoritmos de crecimiento del Mini-PFAL, como se puede observar en la figura 3, el sistema embebido este compuesto por tres elementos de acción (Actuators-ArtificialLightControl) y sensoramiento (Sensors). La clase Sensors se desglosa en la adquisición de tres variables: Temperatura: Variable a medir °C, implementando un integrado HTU21D por protocolo de comunicación I²C; Humedad: Variable a medir %RH; integrado dentro del mismo integrado HTU21D; Luminosidad: Variable a medir Lx, implementando un integrado BH1750 por protocolo de comunicación I²C. La clase Actuators se encarga del procesamiento de variables de 8 bits para la inyección de señal por modulación de ancho de pulsos (PWM) al driver de potencia, esto con el propósito de realizar el desplazamiento de un mecanismo lineal sinfín-corona, que es el encargado de desplazar el sistema de visión artificial para la evaluación de crecimiento de masa vegetal de los cultivos por medio de un algoritmo de procesamiento de video en tiempo real (Este sistema no es implementado en el diagrama UML porque es una mejora a largo plazo, pero se contempla para adición a futuro) El bloque de agregación de CommunicationBluetooth, es un periférico de salida por medio de un módulo HC-06 (Olimex, 2021OLIMEX: HC Information Technology Co., Ltd. Guangzhou, [en línea], Olimex, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-06/resources/hc06.pdf, [Consulta: 23 de junio de 2021].), con la capacidad de comunicación dúplex maestro-esclavo y viceversa, esto permite la conexión al bloque BluetoothConnection la cual interactúa con la aplicación móvil para realizar la configuración de las variables del sistema embebido y a su vez retroalimenta a la App en un Dashboard que permita visualizar las variables en formas gráficas y etiquetas de despliegue de información.
SmartPhone	Como clase central en este bloque se encuentra App_Interface, basada en la arquitectura de Lenguaje de Marcas Extensible XML. Se realiza una App dinámica y visualmente atractiva en Android Studio, para la gestión remota del PFAL vía SmartPhone. La gestión de datos se realiza en dos modalidades: la primera por medio de la clase BluetoothConnection, que permite configurar el PFAL y a la vez obtener datos todo por medio de la App móvil; por otro lado, también se cuenta con la clase WebServiceConexion, que permite una interconexión biunívoca con la BD local, pero a su vez también la conexión con un sitio en la nube por medio de la herramienta de Sharepoint de Microsoft Teams.
WebService	El eje principal es la clase NetworkConnection donde es posible agregar una conexión con el componente SharePoint que a su vez se puede vincular con la aplicación de PowerApps, o simplemente vincular la conexión con MicrosoftDataAccessComponents del bloque *Server PC* , para vincular los datos de la BD local y así realizar indistintamente la consulta de los registros almacenados en la BD, o a su vez, actualizar los datos de la BD.

Diseño de Despliegue Formato de descriptor

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En la metodología de Ingeniería de Software, según Pressman (2010)PRESSMAN, R.: Ingeniería del Software Un Enfoque Práctico University of Connecticut, Ed. McGraw-Hill Interamericana, Madrid, publisher: SA, 2010., los elementos del diseño del despliegue indican la forma en la que se acomodarán la funcionalidad del software y los subsistemas dentro del ambiente físico de la computación que lo apoyará.

La arquitectura de flujo de información, en el aspecto físico permite la trazabilidad del formato descriptor que se presenta en la Figura 4:

FIGURA 4. Diagrama de despliegue del formato descriptor del sistema de cultivos verticales Mini-PFAL (Autoría Propia).

Se puede observar que en su conjunto el sistema está integrado por cuatro nodos, donde se puede analizar la interconexión de los componentes-nodos en el flujo de información de las capas de procesamiento de la información alámbrica e inalámbrica.

Diagrama electrónico del sistema embebido del Mini-PFAL

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La capa de núcleo central (Figura 5) compuesta por la arquitectura electrónica, está diseñada por medio de la implementación de un microcontrolador Atmega 2560 Microchip (2021)MICROCHIP: ATmega2560, [en línea], Microchip, 2021, Disponible en: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2560, [Consulta: 20 de junio de 2021]., el cual funge como administrador del control de tráfico de información, operando bajo un esquema de maestro para realizar la petición de las variables a los esclavos (módulos sensores, Figura 7), además de procesar y ordenar los datos de solicitud y gestionar la comunicación puerto COM-USB (Figura 6) por medio de un driver PL2303 (Prolific, 2022), intercomunicación bidireccional de comunicación WIFI por medio de un Esp8266 (ESPRESSIF, 2022) vía Serial, conectividad Bluetooth implementando un módulo HC-06 Serial Olimex (2021)OLIMEX: HC Information Technology Co., Ltd. Guangzhou, [en línea], Olimex, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-06/resources/hc06.pdf, [Consulta: 23 de junio de 2021]., y algunas salidas de control PWM y digitales para el control de la iluminación LED, actuadores de riego y de desplazamiento lineal del Mini-PFAL, lo cual se puede observar en el diagrama electrónico de la Figura 5, que se presenta a continuación:

FIGURA 5. Esquema electrónico del sistema principal de control del Mini-PFAL (Autoría Propia)

Como se mencionó anteriormente, el chip PL2303 gestiona la comunicación USB a RS232 Bridge Controller, de este modo el PFAL logra conectarse vía puerto COM con la aplicación de escritorio para Windows de Visual Studio y con ello gestiona de forma bidireccional el tráfico de información de las variables de control (°C, %RH y Lux) para ser administradas con el Conector Abierto de Base de Datos ODBC de VB y administrar la información a la Base de Datos Local (Figura 6).

FIGURA 6. Diagrama electrónico del sistema de comunicación USB-RS232 para la vínculación con la PC y actualización de firmware (Autoría Propia).

Los módulos sensores (esclavos), se intercomunican vía protocolo RS-232 con el módulo principal (maestro). La petición se realiza bajo el algoritmo computacional que se muestra más adelante, donde el maestro por medio de su algoritmo, gestiona el tráfico de información y lo administra a los dispositivos alámbricos o inalámbricos, dependiendo de la conexión en que se realiza la solicitud (Figura 7). Como núcleo principal se observa el Atmega 328p que recibe la solicitud del maestro vía Serial, posteriormente se interconecta vía I₂C para dar lectura a los sensores HTU21D y BH1750, recolectando de este modo las variables de temperatura, humedad y luminosidad, para ser entregadas en formato de texto al maestro vía Serial.

FIGURA 7. Esquema de módulos sensores (Autoría Propia).

Finalmente, el control del sistema embebido converge en una LCD TouchPad de 480x320 pixeles TFT de 3.5” (Figura 8), que ejerce la función de interfaz de salida y entrada para retroalimentar los datos bidireccionales del control y acuse de información del sistema, por medio de una interfaz gráfica visualmente atractiva y de fácil operación, lo que permite tener un menú con tres opciones: Sensores, Gráficas y Ajustes. La interfaz TouchPad permite configurar, efectuar la consulta en tiempo real de las variables operativas del invernadero vertical y realizar los gráficos de temperatura, humedad y luminosidad con un periodo de 300 muestras por día.

FIGURA 8. Interfaz LCD TouchPad (Autoría Propia).

Diseño de nivel de componentes del sistema embebido del Mini-PFAL

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Implementando un proceso de lotificación al sistema embebido, se obtiene un diagrama estructurado que traza el comportamiento de flujo del programa como se muestra en la Figura 6.

FIGURA 9. Diagrama de flujo de solicitud de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Maestro-Esclavo (Autoría Propia).

La comunicación con los sensores se logra bajo protocolo RS-232, interconectados en una red de topología tipo bus en donde se interconectan 12 módulos en paralelo a las conexiones Vcc, GND, Tx y Rx. La petición de comunicación tiene como primera parte una cabecera de dirección para realizar la solicitud a los 12 módulos sensores interconectados en el sistema. La dirección de coincidencia permite realizar la solicitud de las variables de temperatura, humedad y luminosidad, para que, así, el esclavo las retorne al maestro.

Diseño de nivel de componentes de los módulos sensores esclavos

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La solicitud descrita en diagrama de flujo por parte de los módulos esclavos se puede observar en el algoritmo de la programación de los esclavos que se muestra en la Figura 10.

FIGURA 10. Diagrama de flujo de envio de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Esclavo-Maestro (Autoría Propia).

Como se puede observar, en el diagrama se revisa de forma iterativa, con el primer condicional, la presencia de paquetes en el buffer del puerto COM y, en ese mismo instante, todos los esclavos se ponen en alerta, por la naturaleza de la topología tipo bus, llegando la información a todos los esclavos, pero tan solo uno de ellos contiene la dirección de petición que depura el segundo condicional. Posteriormente, los datos se envían al maestro para ser gestionado por el algoritmo del diagrama de la figura 6, para enviar los datos vía USB, Bluetooth o WIFI respectivamente con la implementación de los bloques de clases correspondientes.

Diseño de la Interfaz de Sistema Embebido

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La Interfaz Gráfica de Usuario para la operatividad principal de la máquina se basa en el control LCD TouchPad de 480x320, instalada en el panel frontal del módulo (Figura 11), el usuario puede navegar por tres menús principales de forma interactiva:

Sensores: Permite realizar la consulta de los módulos sensores interconectados en el PFAL, por la petición multiplexada en protocolo RS-232. En la respuesta Half-Duplex de petición del MCU principal, el retorno de información contiene los valores cuantificados de las variables “Temperatura”, “Humedad” y “Luminosidad”, que se despliegan en la matriz de sensores mostrados en el panel. Basta con que el usuario de clic en algún punto verde de la matriz o seleccione la opción de “Mostrar Todo” para acusar toda la información
Gráficas: Muestra los valores promedio resguardados en un ArrayList en el transcurso de 24 horas, aproximadamente se grafican 300 muestras por día
Ajustes: Accede a los ajustes principales de la máquina, como es la frecuencia lumínica, activación de los ciclos de riego, test de la máquina, etc.

FIGURA 11. Interfaz Gráfica del Panel TouchPad (Autoría Propia).

CONSIDERACIONES FINALES

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Como ha podido apreciarse, el presente artículo se enfoca a la aplicación de la metodología de Ingeniería de Software, siguiendo las etapas de creación, a saber: el análisis de requerimientos y el modelo de diseño, que a su vez comprende Mohapatra (2010)MOHAPATRA, P.K.J.: Software Engineering, Inst. New Age International, California, USA, 2010. el diseño de datos, el diseño de arquitectura, el diseño de interfaz y el diseño de nivel de componentes.

Las etapas en su conjunto conforman los módulos de software que interactúan en las capas de multilenguaje para implementar la solución, tanto hardware (diseño electrónico aplicado), programación de WebApps, gestión de Data WhereHouse, interconectividad inalámbrica IoT, gestión de BD locales y el Hosting.

La explicación detallada de las capas de Hosting,Data Warehouse IBM (2021)IBM: ¿Qué es un Data Warehouse?, [en línea], IBM Db2 Warehouse, Edición Empresarial, 20 de mayo de 2021, Disponible en: https://www.ibm.com/mx-es/analytics/data-warehouse, [Consulta: 20 de junio de 2021]. y GUI no se implementa minuciosamente para términos de la exposición de resultados, dejando esta labor en la continuación de resultados de investigación a futuro. Los puntos importantes a desarrollar en la exhibición de la presente, se basa en la interconectividad de datos, el análisis de requerimientos, el modelo del diseño y, haciendo uso de los formatos de diagramas, se logró exponer las estrategias de programación empleadas para el diseño del sistema mini-PFAL.

La forma operativa de las capas de software en su conjunto de cohesión de funcionamiento dinámico se puede esbozar de mejor manera implementando la Arquitectura de Capas del Sistema como se muestra en el diagrama de la Figura 12.

FIGURA 12. Diagrama de arquitectura de capas de sistema Mini PFAL con interconectividad IoT para gestión de datos inteligente (Autoría Propia).

La sinergia interrelacionada de las capas de software que interactúan en el sistema, permite la gestión ordenada del tráfico de datos, desde la obtención de las variables hasta el despliegue de información en un “Dashboard”, con información dinámica, gráfica y depurada, con una interacción flexible e inteligente para el usuario, dando una solución técnica de la agricultura moderna, donde el nuevo agricultor del siglo XXI, se convierte en un sujeto con conocimientos técnicos en la operatividad IoT con dispositivos de agricultura inteligente, que conforman conocimientos y habilidades en la gestión y uso del BigData, IA, RA, VA, Drones, IoT, etcétera.

El conjunto de todo el proyecto en su funcionabilidad es una exposición del modelo de resultados bastante ambicioso, dado que esta subdividido en 7 partes importantes:

Análisis técnico del sistema
Análisis de diseño mecánicos aplicado
Diseño de electrónico aplicado
Sistema computacional multiplataforma
Telecomunicaciones y gestión de tráfico de información
Algoritmos de visión artificial
Modelado matemático del sistema PFAL en modo operativo
Estudio de crecimiento de cultivos, evaluación de rendimientos, nutrimental, etc.

El conjunto explicativo y detallado de todos estos aspectos requiere de una publicación más amplia, de manera que pueda desglosarse parte por parte cada uno de los componentes funcionales del sistema Mini PFAL IoT propuesto.

CONCLUSIONES

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Como resultado de la investigación de ingeniería de software para una Mini-Fábrica de Plantas con Iluminación Artificial, se determinan y exponen los diferentes componentes del sistema, a saber:

El diagrama de flujo de información del sistema de control de la Fábrica de Plantas con Iluminación artificial PFAL;
El modelo UML de diseño de la interfaz de Sistema;
El diagrama de despliegue del formato descriptor del sistema;
El esquema electrónico del sistema principal de control;
El diagrama electrónico del sistema de comunicación;
El esquema de módulos sensores y su intercomunicación;
La interfaz de salida y entrada para retroalimentar los datos bidireccionales del control y acuse de información del sistema;
Los diagramas de flujo (algoritmos) de solicitud y envío de datos de temperatura, humedad y luminosidad del Maestro-Esclavo;
El diseño de la interfaz gráfica del panel de control.