RESUMEN. Palabras clave: Modelo matemático, ZigBee, microcontrolador.

Transcripción

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2 RESUMEN El propósito de esta investigación es el diseño y construcción de un dispositivo electrónico que prediga el peso de los peces, evitando el uso de las biometrías para obtener dicho peso. La forma de hacerlo es utilizando tecnologías como el microcontrolador y el protocolo de comunicación inalámbrica ZigBee, lo anterior combinado con un modelo matemático propuesto por Soderberg. El modelo matemático tiene como variable de entrada la temperatura del agua, el resultado es la longitud de los peces. Con el uso de una ecuación propuesta por el mismo Soderberg se obtiene el peso de los peces, con lo anterior, se evitará tener que usar las biometrías, ya que es un método invasivo debido a que el manejo de los peces se hace con las manos para obtener el peso y su longitud, lo cual provoca estrés en los peces; pudiendo causar hasta la muerte. La especie utilizada es la tilapia (Oreochromis niloticus), para la validación del dispositivo electrónico se realizó un experimento por triplicado conociendo la biomasa inicial de cada uno, después de cierto tiempo se volvió a calcular la biomasa y se comparó con los datos arrojados por el dispositivo electrónico. Con los dos datos se construyeron dos curvas: una con los datos del dispositivo y la otra con los datos obtenidos de la biometría. Al final se determinó que el dispositivo electrónico tuvo un 96% de precisión. Palabras clave: Modelo matemático, ZigBee, microcontrolador. ii

3 SUMMARY The purpose of this research is the design and construction of an electronic device to predict the weight of the fish, avoiding the use of biometrics to get that weight. The way to do this is using technologies such as the microcontroller and ZigBee wireless communication protocol, above combined with a mathematical model proposed by Soderberg. The mathematical model having as input variable water temperature, the result is the length of the fish. Using an equation proposed by the same weight is obtained Soderberg fish with the above, it avoids having to use biometrics as is invasive because the handling of the fish is done with hands to get the weight and length, which causes stress on fish; may cause death. The species used is the tilapia (Oreochromis niloticus) for electronic device validation experiment was performed in triplicate knowing the initial biomass of each, after some time biomass recalculated and compared with the data obtained from the electronic device. With the two figures were constructed two curves: one with device data and the other data from biometrics. At the end it was determined that the electronic device had a 96% accuracy. (Key words: Mathematical model, ZigBee, microcontroller) iii

4 A mis padres Blanca Estela Tejeida y Adán López A mis hermanos Adán, Eduardo y Blanca Estela A Sofi Ainara que es una ilusión de vida iv

5 AGRADECIMIENTOS A los profesores que aportaron Dr. Genaro Martin Soto Zarazúa, M. en C. Juan Fernando García Trejo, M. en C. Oscar Alatorre Jácome, Dr. Enrique Rico García, M. en C. Adán Mercado Luna. A todos las personas que pusieron su granito o granitos de arena para la culminación de este trabajo, a los compañeros de la maestría, a los compañeros del Campus Amazcala, Elena Rodríguez, Rafita Rodríguez, Víctor Lauro, Edgar González, Ismael Urrutia, Abraham Gastelum, Edgar Lugo. Muy en especial a Mary Villegas ya que sin su apoyo, dedicación, impulso y tiempo no hubiera sido posible la culminación de este trabajo, gracias. v

6 ÍNDICE GENERAL SUMMARY... iii AGRADECIMIENTOS... v I. INTRODUCCIÓN Producción Acuícola en México Descripción del problema Justificación Hipótesis Objetivo general... 7 II. REVISION DE LITERATURA Aspecto de la acuicultura a nivel mundial Especies acuícolas cultivadas en México Producción de camarón Producción de atún Producción de sardina Producción acuícola en el estado de Querétaro Producción de tilapia en México Descripción anatómica de la tilapia Parámetros fisicoquímicos para el cultivo de tilapia Oxígeno disuelto Temperatura Alimentación Tipo de instalaciones en el cultivo de tilapia Relaciones alométricas Modelos de Crecimiento El microcontrolador Módulos de comunicación XBee III. METODOLOGÍA Primer experimento Primer diseño experimental Respirometría Diseño y construcción del dispositivo electrónico vi

7 3.4.1 Tarjeta de adquisición de la temperatura Tarjeta de adquisición y transmisión de datos XBee transmisor XBee receptor Programación de la interfaz gráfica Conexión de todas la partes del dispositivo electrónico Validación del dispositivo electrónico Segundo diseño experimental IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Resultados del primer experimento mediciones de crecimiento Resultados de la respirometría del primer experimento Resultados de la validación del dispositivo electrónico V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones LITERATURA CITADA vii

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Producción acuícola a nivel nacional por especies Producción de tilapia en México Producción acuícola por especie a nivel mundial Usos de la pesca a nivel mundial. 2.3 Aspecto no alimentario de la pesca mundial Producción de camarón por entidad Producción de atún por entidad 2.6 Producción de Sardina por entidad. 2.7 Producción acuícola del estado de Querétaro Valor de la producción acuícola del estado de Querétaro Partes de la tilapia comportamiento del oxígeno disuelto 2.11 Formas de proveer OD 2.12 Crecimiento de base a la temperatura Comportamiento de la temperatura en un tanque Sistema de cultivo extensivo Sistema de cultivo semi-intesivo 2.16 Cultivo intensivo en tanques de geomembrana Esquema interno de un microcontrolador Capas del protocolo XBee 2.19 Topologías de red de los módulos XBee Localización del campus Amazcala. 3.2 Equipo utilizado para el primer experimento Colocación de las tinas en la estantería. 3.4 Medidor HACH 3.5 Material de la respirometría Funcionamiento del sistema. 3.7 Tipos de sensores de temperatura Sensor Pines del amplificador MC Diagrama a bloques de la adquisición de la temperatura Circuito esquemático del arreglo de amplificadores Circuito esquemático de la fuente de voltaje ± 12 V PCB de la tarjeta de adquisición de temperatura 3.14 Tarjeta de adquisición de de temperatura terminada Diagrama a bloques de la tarjeta de envió de datos Pines del microcontrolador 18F Esquemático de la tarjeta de transmisión de datos 3.18 PCB de la tarjeta de adquisición y transmisión de datos Tarjeta de transmisión de datos terminada LCD 16x Conexión del XBee al PIC viii Página

9 3.22 Base de Digi y Sparkfun para la configuración de XBee 3.23 Diagrama a bloques de la interfaz gráfica de usuario Configuración del puerto en la interfaz Longitud inicial y número de peces en la interfaz Dispositivo electrónico en funcionamiento Configuracion del XBee en PC Settings 3.28 Muestra de los datos presentados por la interfaz Gabinete de plástico 3.30 Lugar de la experimentación. 4.1 Gráfica de crecimiento del tratamiento con biometrías c/15 días 4.2 Gráfica de crecimiento de los tratamientos con una biometría inicial y una final Gráfica de la respirometría en el régimen de 26 biometría c/15 días Gráfica de la respirometría en el régimen de 28 biometría c/15 días Gráfica de la respirometría en el régimen de 30 biometría c/15 días Gráfica de la respirometría en el régimen de 28 con una biometría inicial y una final 4.7 Gráfica de la respirometría en el régimen de 28 con una biometría inicial y una final 4.8 Gráfica de la respirometría en el régimen de 30 con una biometría inicial y una final. 4.9 Comparación de las respirometría entre los tratamientos de biometría cada 15 días contra los tratamientos de biometría inicial y biometría final Gráfica de curvas peso estimado y peso observado tina Gráfica de curvas peso estimado y peso observado tina Gráfica de curvas peso estimado y peso observado tina Gráfica de regresión lineal peso estimado vs peso observado 4.14 Gráfica de regresión lineal Delta L estimado vs temperatura estimada ix

10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Producción de la pesca y acuicultura Producción acuícola a nivel mundial 2010., 2.3 Alimentos que se pueden incluir en la dieta 3.1 Diseño experimental de la experimentación previa Peso inicial del primer experimento 3.3 Características del termistor utilizado Características del PIC 18F Pines principales del XBee 4.1 Análisis de varianza peso estimado vs peso observado.. Página x

11 I. INTRODUCCIÓN 1.1 Producción Acuícola en México Nuestro país posee una extensión territorial de 1,964,375 km 2 con una superficie continental de 1,959,248 km 2 y una insular de 5,127 km 2. También tiene una gran variedad de sistemas costeros y marinos dentro de aguas territoriales 12,500 km 2 de superficie de lagunas costeras y esteros, 6,500 km 2 de aguas interiores como lagos, lagunas, represas y ríos. Además de la extensión de sus litorales, 629,925 hectáreas se encuentran en el litoral del Pacífico y 674,979 hectáreas se encuentran en el litoral del Golfo de México y el Mar Caribe, lo que le confiere un gran potencial pesquero (INEGI, 2011). Actualmente, la pesca en nuestro país es una fuente importante de alimento tanto a nivel nacional como a nivel mundial, además de la generación de empleos, recreación, y comercio. Hay que mencionar que en un inicio la producción pesquera se enviaba al mercado de los Estados Unidos y fue a partir de los 70 s que la pesca comenzó a comercializarse en el territorio nacional. Algunas de las especies que se producen hoy en día son: abulón, almeja, calamar, camarón, sardina, jaiba, pulpo, robalo, ostión y mojarra, entre otras. De las especies anteriormente mencionadas, la sardina ocupa el primer lugar en producción con 629,811 toneladas y 699,577 valor en miles de pesos, en este aspecto se encuentra en quinto lugar. La especie que ocupa el primer lugar en valor es el camarón con una producción 6,744,121 valor en miles de pesos, en cuanto a producción por volumen se encuentra en segundo lugar. Hay que mencionar que la producción nacional proviene de dos rubros: uno es el de la pesca de captura y el otro de la acuicultura. En el caso de la acuicultura, esta continúa en crecimiento tanto que en algunas especies la mayoría de su producción proviene de sistemas de este tipo (véase Figura 1.1). 1

12 Especies producidas en México en sistemas acuícolas Camarón Atún Mojarra Ostión Carpa Trucha Bagre Charal Langostino Lobina Otras Porcentaje Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de acuacultura y pesca Figura 1.1 Producción acuícola a nivel nacional por especie. Dentro de estas especies se encuentra la Tilapia, mejor conocida en nuestro país como mojarra, a nivel nacional esta especie ocupa el quinto lugar con 81,250 toneladas (véase Figura 1.2). Produccion de tilapia en México 5.25% Tipo de pesca Acuacultura Captura 94.75% Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de acuacultura y pesca Figura 1.2 Producción de tilapia en México. 2

13 En el aspecto de las exportaciones e importaciones nuestro país exporta especies como: abulón, algas, almejas, calamar, camarón entre otras, el volumen es de 371,491 toneladas con un valor de 1,049,256 miles de pesos. Los países a los que principalmente se exporta son: Estados Unidos, España, Hong Kong, China, e Italia. En cuanto a las importaciones, algunas de las especies importadas son bacalao, camarón, salmón, pulpo, langosta, calamar principalmente, el volumen es de 215,299 toneladas y con un valor de 679,294 miles de pesos, los países involucrados en las importaciones son China, Estados Unidos, Vietnam, Chile y Noruega (CONAPESCA, 2011). De aquí la importancia de esta actividad que es fundamental para la alimentación y economía de nuestro país, también surge la necesidad de mejorar e innovar tecnológicamente los sistemas acuícolas para hacer más eficiente esta actividad. 3

14 1.2 Descripción del problema Los métodos habituales para obtener el peso y la longitud en los sistemas acuícolas es con ayuda de las biometrías, dicho método es invasivo, es decir, el manejo de los organismos es con las manos, y se tiene que extraer al pez de su medio para obtener las medidas de longitud y peso. El problema con este tipo de métodos es que al extraer a los peces de su medio se crea un estado de estrés en ellos (Aiyelari et al., 2007), dicho estrés se genera debido al manejo, transportación, confinamiento y poca alimentación, lo cual puede causar un pobre desarrollo fisiológico, e inclusive hasta la muerte. En algunos casos para la transportación de los peces se mantienen las condiciones ambientales y el manejo del transporte es a bajas temperaturas, e inclusive en algunos casos para reducir el estrés se utilizan sedantes en los peces (Sink y Neal 2009). Hay que tomar en cuenta que cuando el pez está estresado este requiere de un tiempo para volver a su estado normal, y durante este tiempo no se le puede proveer de alimento. Los factores estrés se pueden dividir en: químicos, biológicos y físicos (Wallat, 2005). 4

15 1.3 Justificación Es evidente que la pesca continúa incrementándose en nuestro país y además es una actividad de gran importancia en el aspecto alimentario y económico, hay que mencionar que actualmente se busca la seguridad alimentaria (INEGI, 2013), la que se ha convertido en un asunto de seguridad nacional debido a la política económica de orden global que ha provocado desequilibrios internos, tanto en el ámbito rural como urbano. Los sistemas tradicionales de pesca como la captura en aguas marítimas, las jaulas flotantes y los cultivos tierra adentro en grandes extensiones de tierra, están cambiando a sistemas acuícolas. Por esta razón es importante que estos sistemas sean eficientes, esto se logra con la ayuda de las nuevas tecnologías como la automatización. Una de las actividades en las que hay que innovar es en la obtención del peso ya que los métodos que se utilizan provocan estrés debido a que son invasivos, esto hace que los sistemas reduzcan su eficiencia. De aquí el uso de algún modelo para predecir el peso sin la necesidad de tener que extraer al pez de su medio. Además los sistemas convencionales están cambiando a cultivos acuícolas, esto se puede comprobar con la producción de tilapia en nuestro país ya que el 94.75% proviene de sistemas de este tipo (CONAPESCA, 2011). En su investigación, Soderberg et al. (2006), menciona que la predicción del crecimiento en los sistemas intensivos acuícolas se logra con el uso de un modelo de crecimiento que prediga el incremento diario de la longitud en función de la temperatura. Dichos modelos se pueden introducir a un dispositivo electrónico para que éste haga la predicción del crecimiento y dicha predicción sea mostrada en una interfaz de usuario. La mayoría de los sistemas acuícolas se encuentran en áreas abiertas; por esta razón, los datos se tienen que enviar de forma inalámbrica ya que el cable tiene un costo y cierta durabilidad. La opción de las comunicaciones 5

16 inalámbricas es muy viable ya que en los últimos años el uso de las tecnologías inalámbricas ha crecido exponencialmente (Zhen-rong et al., 2009), como la tecnología XBee, la cual posee una red inalámbrica, tasa estándar de transferencia y el control en red, a su vez la tecnología XBee tiene una alta fiabilidad (Vlajic et al., 2011), tiene un bajo consumo de energía y bajo costo. 6

17 1.4 Hipótesis Es posible predecir el crecimiento de la tilapia (Oreochromis niloticus) en línea y tiempo real usando el modelo matemático de Soderberg basado en la temperatura del agua. 1.5 Objetivo general Desarrollar e implementar un dispositivo electrónico con el uso del modelo matemático de Soderberg para la predicción del crecimiento, en Tilapia (Oreochromis niloticus). 7

18 II. REVISION DE LITERATURA 2.1 Aspecto de la acuicultura a nivel mundial La pesca de captura y la de acuicultura suministraron alrededor de 148 millones de toneladas de pescado en 2010, de estas toneladas aproximadamente el 86.48% se destinó para consumo humano, algunos datos preliminares estiman que en el 2011 la producción incrementó un 4.05%; es decir, 154 millones de toneladas y de éstas 131 millones se destinaron para producción de alimentos (véase Tabla 2.1). Con el crecimiento mantenido de la producción de pescado y la mejora de los canales de distribución, el suministro mundial de alimentos pesqueros ha aumentado considerablemente en las últimas cinco décadas, con una tasa media de crecimiento del 3.2% anual en el periodo de 1961 a 2009, superando el índice de crecimiento de la población mundial del 1.7% anual. El suministro mundial de peces comestibles per cápita aumento desde un promedio de 9.9 kg (equivalente en peso vivo) en la década de 1960 hasta 18.4 kg en Las cifras preliminares para 2010 señalan que el consumo de pescado seguirá aumentando hasta alcanzar los 18.6 kg (FAO, 2012). Millones de Ton. Tabla 2.1 Producción de la pesca y acuicultura Pesca de captura Continental Marítima Pesca de captura total Acuacultura Continental Marítima Acuicultura total Producción pesquera mundial total Fuente: FAO, Estado mundial de la pesca y la acuicultura

19 Actualmente la producción acuícola a nivel mundial sigue creciendo, pero más lentamente que en la década de los 80 s y 90 s. En el transcurso del siglo pasado la acuicultura logró pasar de ser insignificante a equipararse totalmente con la producción de la pesca de captura. En cuanto a la alimentación de la población también ha evolucionado respecto a innovación tecnológica y adaptación para satisfacer las necesidades cambiantes. En el año de 2010 la producción acuícola mundial obtuvo 79 millones de toneladas, con un valor de 125,000 millones de dólares. Alrededor de 600 especies acuáticas son las que se cultivan en sistemas acuícolas en todo el mundo, la complejidad tecnológica como el uso de insumos varia así como la utilización de agua dulce, salobre y marina. En el mismo año 2012 se registraron alrededor de 181 países y territorios con una producción acuícola (FAO, 2012). En cuanto a la producción acuícola por continente, Asia represento alrededor del 89% del volumen de producción mundial en 2010, los demás continentes tuvieron una menor producción esto se puede corroborar con la Tabla 2.2. Tabla 2.2 Producción acuícola a nivel mundial. País Producción (Toneladas) África 1,288,320 Américas 2,576,428 Asia 53,301,157 Europa 2,523,179 Oceanía 183,516 Total 59,872,600 Fuente: FAO, Estado mundial de la pesca y la acuicultura La producción acuícola utiliza agua dulce, salobre, así como el agua marina como ambiente de cultivo, el porcentaje de producción de agua dulce aumentó menos del 50% antes de la década de los 80 s a casi el 62% en el 2010, por su parte la producción acuícola marina disminuyo 10% para producir el 30%. En el caso de las especies producidas en acuicultura son peces de agua dulce, 9

20 moluscos, crustáceos, peces diádromos, peces marinos y otros animales acuáticos (véase Figura 2.1). Especies producidas a nivel mundial en acuicultura 1.36% 3.01% 6.02% 9.53% Especies Peces de agua dulce Moluscos Crustáceos Peces diádromos Peces marinos Otros 56.34% 23.74% Fuente: FAO, Estado mundial de la pesca y la acuicultura Figura 2.1 Producción acuícola por especie a nivel mundial. El uso de la producción acuícola mundial no solo es para el consumo humano, está también se utiliza en otros aspectos, ya que son productos perecederos, se utilizan mecanismos para la captura y adquisición, así como para el transporte e instalaciones avanzadas de almacenamiento, elaboración y envasado para su comercialización, lo anterior para preservar su calidad nutricional y ampliar su vida útil. Con lo anterior se pretende reducir el deterioro causado por bacterias y evitar las pérdidas por una manipulación inadecuada. El pescado es muy versátil, ya que puede transformarse en una ámplia gama de productos y así aumentar su valor económico. Las formas de distribución de la producción pesquera incluyen vivo, fresco, refrigerado, congelado, tratado térmicamente, fermentado, seco, ahumado, salado, en salmuera, hervido, frito, liofilizado, picado, en polvo o en conserva, o como una combinación de dos o más de estar formas (véase Figura 2.2) 10

21 Uso de la producción pesquera mundial 13.60% Uso Vivo, fresco o refrigerado Consumo humano directo Uso no alimentario 40.54% 45.86% Fuente: FAO, Estado mundial de la pesca y la acuicultura Figura 2.2 Usos de la pesca a nivel mundial De las 20.2 millones de toneladas que son destinadas para el uso no alimentario se encuentra la producción de harina y aceite de pescado, y el restante se usa con fines ornamentales, como cebo o para usos farmacéuticos, así como materias primas para la alimentación directa en el sector de la acuicultura, del ganado y los animales para la producción de pieles. Lo anterior se muestra en la Figura 2.3. La importancia del uso de harina y aceite de pescado es de gran importancia a nivel de materia prima para la producción de alimentos acuícolas ya que éstas tiene una gran cantidad de proteína, esto lo hace una de las mejores opciones para la incorporación de proteína sobre todo en los sistemas acuícolas que requieren de dietas con un alto valor proteico, la gran mayoría de los alimentos para este tipo de sistemas se basan en este tipo de materias primas e inclusive no solo se usan con fines acuícolas sino también para la alimentación de animales en la ganadería. 11

22 Uso no alimentario de la pesca mundial 25.00% Tipo de uso Harinas y aceites Ornamentales, farmacéuticos 75.00% Fuente: FAO, Estado mundial de la pesca y la acuicultura Figura 2.3 Aspecto no alimentario de la pesca mundial. 2.2 Especies acuícolas cultivadas en México En nuestro país se produce una gran cantidad de especies acuícolas como: camarón, sardinas, almejas, atún, mojarra, anchoveta, ostión, calamar, entre otras. A continuación se ahonda un poco solo en las más importantes Producción de camarón El camarón por su volumen en producción se encuentra en segundo lugar pero en cuanto a valor se encuentra en primer lugar. La tasa media de crecimiento en los últimos diez años es de 6.24%, dicho crecimiento se debe al aumento de los sistemas acuícolas. En el caso de las exportaciones se encuentra en el lugar número 1, los países a los cuales se envía dicha producción son 12

23 Estados Unidos, Japón y Francia. En el 2011 los estados con mayor producción de dicha especie fueron Sinaloa, Sonora, Nayarit, Tamaulipas entre otros (véase Figura 2.4) Producción de camarón por entidad Sinaloa Sonora Nayarit Tamaulipas Campeche Baja California Sur Chiapas Veracruz Oaxaca Otras (X 10000) Peso (Toneladas) Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de acuacultura y pesca Figura 2.4 Producción de camarón por entidad. Las principales entidades que lo producen son Sinaloa 42.92%, Sonora 28.47%, Nayarit 8.83% y Tamaulipas 6.31%. De está producción el 56.81% proviene de cultivos acuícolas y el restante proviene de la pesca de captura del Pacifico, Golfo de México y Mar Caribe (CONAPESCA, 2011) Producción de atún El atún es otra especie de gran importancia ya que por su volumen en producción se sitúa en el tercer lugar y por su valor se encuentra en segundo lugar, la tasa media de crecimiento en los últimos diez años ha sido de 1.94%, en el aspecto de las exportaciones los países involucrados son España, Estados Unidos y Guatemala. Las entidades que lideraron la producción de esta especie fueron Sinaloa, Colima, Chiapas, Baja California entre otras (véase Figura 2.5). 13

24 Las principales zonas de pesca se encuentran en las costas de Baja California Sur, el sur del Golfo de California y cerca de las islas Revillagigedo; así como en aguas internacionales, también la pesca mexicana se localiza en una franja que tiene como eje los 10º de latitud norte y se extiende hacia mar adentro aproximadamente hasta los 140º de longitud oeste. Producción de atún por entidad Sinaloa Colima Chiapas Baja California Veracruz Nayarit Oaxaca Campeche Baja California Sur Otras (X ) Peso (Toneladas) Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de pesca y acuicultura Figura 2.5 Producción de atún por entidad. De dicha producción tan solo el 1.5% proviene de sistemas acuícolas y el resto es de la pesca de captura, Sinaloa aporta con el 61.03% de la producción total a nivel nacional (CONAPESCA, 2011) Producción de sardina La sardina es otra especie de gran importancia en nuestro país ya que por su volumen de producción se encuentra posicionada en primer lugar, en valor comercial se encuentra en lugar 5, la tasa media de crecimiento anual de la producción en los últimos 10 años es de 0.91%. Las entidades con mayor producción son Sonora, Sinaloa, Baja California, Baja California Sur entre otras 14

25 (véase Figura 2.6), toda la producción proviene de la pesca de captura, es decir no hay producción en sistemas acuícolas de sardina (CONAPESCA, 2011). Producción de sardina por entidad Sonora Sinaloa Baja California Baja California Sur Chiapas Veracruz Colima Oaxaca Quintana Roo Otras Peso (Toneladas) (X ) Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de pesca y acuicultura Figura 2.6 Producción de Sardina por entidad. 2.3 Producción acuícola en el estado de Querétaro El estado de Querétaro cuenta con una extensión de 11,684 km 2, es decir el 0.6% del territorio nacional, y cuenta con una población de 1,827,937 habitantes (INEGI, 2013), el 1.5% del total de país. Hay que mencionar que no cuenta con litoral pero aun así tiene una producción acuícola, las especies producidas, son mojarra, carpa, trucha, bagre, entre otras esto se muestra en la Figura

26 Producción de especies acuícolas del estado de Querétaro Mojarra Carpa Trucha Bagre Otras Peso (Toneladas) Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de pesca y acuicultura Figura 2.7 Producción acuícola del estado de Querétaro. En el periodo comprendido de 2002 a 2011 el año con mayor producción fue el año de 2004 con una producción total de 879 toneladas, en el caso de la producción de 2011 tuvo un valor de 16,105 en miles de pesos (véase Figura 2.8). Toda la producción de los sistemas acuícolas del estado contribuye con el 1.86% del PIB. (X 1000) 16.9 Valor de la producción acuícola del estado de Querétaro ( ) 14.9 Valor en Pesos Año Fuente: CONAPESCA, Anuario estadístico de pesca y acuicultura Figura 2.8 Valor de la producción acuícola del estado de Querétaro. 16

27 2.4 Producción de tilapia en México En nuestro país actualmente la tilapia se encuentra en quinto lugar en producción por volumen, y la tasa de crecimiento anual es de 1.44%, el estado que tiene mayor producción de esta especie es Veracruz y la mayor parte de esta producción proviene de la acuacultura (CONAPESCA, 2011). En 1940 la tilapia es introducida al Caribe de aquí se distribuyó hacia países de Latino América y ciudades de Estados Unidos (Stickney, 2000). En 1964 se importaron a México los primeros ejemplares de tilapia (Oreochromis mossambicus y Oreochromis aureus) procedentes de la Universidad de Auburn, Alabama, EUA. Posteriormente en 1978 y 1986 llegaron las especies (Oreochromis niloticus) procedente de Panamá y el hibrido (Oreochromis niloticus Stirling) procedente de la Universidad de Stirling, Escocia respectivamente (FAO, 2011). A partir de los años 70 s se promovió el cultivo intensivo de la especie tilapia, para lo cual se ha demandado de nuevas técnicas que permitan incrementar la producción, así mismo desarrollar tecnología de apoyo para el proceso de producción. El cultivo de la tilapia, se está transformando en el segundo cultivo acuícola más importante, promovido por el amplio mercado nacional que tiene, así como por los apoyos federales que se otorgan (CONAPESCA, 2009). Además la especie es muy versátil inclusive tiene el sobrenombre de pollo acuático ya que tiene un rápido crecimiento y una alta resistencia a las enfermedades, además se reproduce en cautiverio por lo tanto se puede cultivar en tanques circulares o cuadrados (Kumar et al., 2011) La tilapia se produce principalmente en los litorales del Océano Pacífico y del Golfo de México. A nivel nacional la especie se encuentra en 5º lugar de producción, los estados que producen esta especie son, Baja California, Baja California Sur, Sonora, Sinaloa, Nayarit, Jalisco, Colima, Michoacán, Guerrero, Oaxaca, Chiapas, Tamaulipas, Veracruz, Tabasco, Campeche, Yucatán y Quinta Roo, dichas entidades están en litoral, en el caso de las entidades que no están en 17

28 litoral son: Aguascalientes, Chihuahua, Coahuila, Durango, Guanajuato, Hidalgo, México, Morelos, Nuevo León, Puebla, Querétaro, San Luis Potosí, Tlaxcala y Zacatecas. En el caso del estado de Querétaro la producción de Tilapia en el año 2009 fue de 307 toneladas (CONAPESCA, 2009). Otro aspecto importante por mencionar es que a nivel nacional la producción de captura es menor a la producción acuícola, en otras palabras los cultivos tierra adentro han seguido extendiéndose a tal grado que la mayor parte de la producción proviene de este tipo de sistemas. 2.5 Descripción anatómica de la tilapia La tilapia es un pez de agua dulce que pertenece a la familia de los cíclidos, existen cuatro géneros dentro de éstos se encuentra el género Oreochromis, que ha tenido una buena adaptación a las aguas intercontinentales, específicamente a las presas. Las características distintivas de este género es que son incubadores bucales, presentan un marcado dimorfismo y dicromatismo sexual. El género Oreochromis niloticus tiene la parte frontal del hueso faríngeo presenta un área dentada con una menor cantidad de dientes, se puede apreciar en la parte superior la presencia de dientes bicúspides y en la parte inferior de mono cúspides curvados hacia atrás. El cuerpo de estos peces es robusto comprimido, a menudo discoidal, raramente alargado, con aleta dorsal que tiene de 23 a 32 espinas y radios, la boca es protráctil, mandíbula ancha, a menudo bordeada por labios gruesos con dientes cónicos y en algunas ocasiones incisivos, en otros casos puede presentar un puente carnoso (freno) que se encuentra en el maxilar inferior, en la parte media debajo del labio. La línea lateral es bifurcada la porción superior se extiende desde el opérculo hasta los últimos radios de la aleta dorsal, en la porción inferior, aparece varias escamas por debajo de donde termina la línea lateral de la parte superior hasta la terminación de la aleta caudal (véase Figura 2.9) 18

29 Figura 2.9 Partes anatómicas externas de la tilapia. 2.6 Parámetros fisicoquímicos para el cultivo de tilapia Para lograr el cultivo de la tilapia se requieren de ciertos parámetros fisicoquímicos óptimos ya que en estos la tilapia tiene un mejor desarrollo Oxígeno disuelto El oxígeno disuelto (OD) es uno de los factores que afecta la alimentación, crecimiento y metabolismo de la tilapia. El aire contiene 20.95% de oxígeno, la presión barométrica influye sobre éste ya que a una presión de 760 mmhg la presión del oxígeno es de 159 mmhg. La tilapia es conocida por soportar concentraciones bajas de OD, inclusive pueden tolerar concentraciones de cero, esto lo logran si se les permite el acceso al aire de la superficie, en caso contrario sufren de una alta mortalidad. También la tilapia puede tolerar las condiciones de sobresaturación de oxígeno que en algunos casos se da por la fotosíntesis del fitoplancton y algas. La concentración de OD en al agua varía de acuerdo con la temperatura, salinidad y presión barométrica, si la temperatura del agua aumenta la concentración de OD disminuye, esto también provoca que la respiración de la tilapia aumente y por lo tanto haya un consumo mayor de OD, ya que a mayor 19

30 temperatura se incrementa el metabolismo. El comportamiento del OD en el tanque varía de acuerdo a la hora del día lo anterior se muestra en la Figura Comportamiento del oxígeno disuelto en un tanque 10 Oxígeno disuelto (mg/l) Tiempo (Horas) Figura 2.10 comportamiento del oxígeno disuelto en un tanque de cultivo. Los niveles recomendados de OD para la tilapia son entre 3 a 5 mg/l, aunque hay ocasiones en que los niveles de OD en el agua llegan a punto de saturación esto sucede cuando la presión de oxígeno en el agua es igual a la presión de oxígeno en la atmosfera, pero también es posible que el agua llegue a niveles de OD todavía más altos es decir a punto de super-saturación. Esto es provocado por las plantas (algas) que crecen y producen oxígeno durante la fotosíntesis, pero esto puede ser contraproducente debido a que durante la noche este tipo de organismos consumen oxígeno por lo tanto los niveles de OD reducen. Existe una gran cantidad de generar OD desde la más básica como lo es tener una caída de agua en el tanque hasta los complejos equipos electrónicos que bombean oxígeno a los tanques. Algunos dispositivos mecánicos para proveer oxígeno son bombas verticales, rueda con paletas, sistemas de aire difuso entre otros. La mayoría de éstos requieren de energía proveniente de algún combustible o de la corriente eléctrica (véase Figura 2.11). 20

31 Fuente: Sitckney, Aquaculture an introductory text. Figura 2.11 Formas de proveer OD Temperatura La temperatura es uno de los factores más importantes que afectan a la fisiología, crecimiento, reproducción y metabolismo de la tilapia. Los peces son poiquilotermos; es decir, no controlan su temperatura corporal, sino que su temperatura es regulada por el medio en el que se encuentran el agua. Esto juega un papel importante en las regiones templadas y subtropicales, que se caracterizan por las fluctuaciones estacionales de la temperatura del agua (Azaza et al., 2008). A su vez se ha encontrado que si los alevines son sometidos a tratamientos de altas temperaturas durante los primeros días de vida, el resultado es una desviación significativa en la proporción a favor de los machos, también mencionan en que se tiene una gran ventaja al tener la mayor cantidad de machos posible ya que estos crecen más rápido en comparación con las hembras. El rango de temperatura óptimo para el desarrollo, reproducción y crecimiento de la tilapia es de 20 a 35ºC. Se han realizado estudios en los cuales se evalúan los efectos de la temperatura en el crecimiento de los peces. Esta comparación se muestran en la Figura

32 Fuente: El-Sayed, Tilapia cultura. Figura 2.12 Crecimiento de la tilapia en base a la temperatura. La tilapia puede tolerar temperaturas tan bajas como 7-10ºC, pero solo durante breves periodos, a temperaturas de 20ºC la alimentación de la tilapia se ve reducida drásticamente y a los 16ºC deja de alimentarse mientras que la mortalidad severa se produce a los 12ºC. Estos límites pueden variar dependiendo la especie. En el caso de temperaturas altas sucede lo contrario ya que la tilapia las puede resistir sin ningún problema, pero por encima de 40-42ºC solo resisten por poco tiempo. Los cambios de temperatura afectan directamente la tasa metabólica: mientras mayor sea la temperatura, mayor será la tasa metabólica y por ende mayor consumo de oxígeno. Así mismo, se tiene un efecto directo en el consumo de alimento. Hay que mencionar que la temperatura también es regulada dependiendo de la estación; ya que durante el verano los peces tienden a crecer más y en invierno tienden a crecer menos. El comportamiento de la temperatura en un tanque no tiene una gran variación debido a que se amortigua con la cantidad de agua como se muestra en la Figura 2.13 en un tanque de 30m 3 22

33 Temperatura (ºC) :00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Tiempo (Horas) Figura 2.13 Comportamiento de la temperatura un tanque de cultivo Alimentación Es la parte en la que se genera mayor inversión en los sistemas acuícolas, generalmente es el 50% de los costos de operación. En el caso de los sistemas extensivos la tilapia depende exclusivamente del alimento que se genera en los tanques debido a la fertilización, pero en los sistemas semi-intensivos se emplea la alimentación suplementaria. Principalmente la dieta de la tilapia deberá de abarcar las cinco clases de nutrientes estos son: proteínas, lípidos, carbohidratos, vitaminas y minerales. En el caso de la proteína, ésta representa el 50%, la fuente de proteína en las dietas generalmente se obtiene de la harina de pescado, a su vez se puede combinar con harina de maíz, harina de trigo, harina de soya y semilla de algodón. La mayoría de los sistemas utilizan alimentos comerciales los cuales tienen un alto costo, por lo tanto existe la opción de hacer una dieta en base a distintos alimentos (véase Tabla 2.3) 23

34 Tabla 2.3 Alimentos que se pueden incluir en la dieta de la tilapia. Alfalfa Lechuga Semillas de mango Aceite de mostaza Pulpa de café Melaza Algas Tapioca Arroz quebrado Fuente: Stickney, Encyclopedia of aquaculture Tipo de instalaciones en el cultivo de tilapia El cultivo de peces en estanques se puede dividir convenientemente en sistemas extensivos, semi-intensivos e intensivos de acuerdo a la densidad de siembra. Dependiendo de la densidad será la complejidad del sistema, en otras palabras entre mayor sea la cantidad de peces se necesitara una mayor cantidad de dispositivos para mantener las variables optimas de la especie. (Auro de Ocampo et al., 2001). Cultivo extensivo: es el tipo de cultivo más sencillo debido a que se realiza un hoyo en tierra para después colocar algún tipo de arcilla para evitar que el agua se trasmine (véase Figura 2.14), hay que mencionar que la alimentación se provee con los organismos que crecen dentro del estanque inclusive se puede agregar algún tipo de fertilizante para favorecer el crecimiento de algas u otros organismos que son consumidos por la tilapia, la densidad puede variar dependiendo del tamaño del estanque pero generalmente es de 3000 a peces/ha (Stickney, 2005). 24

35 Figura 2.14 Sistema de cultivo extensivo Cultivo semi-intensivo: en este tipo de cultivo se usan tanques ya sean cuadrados, rectangulares o circulares (véase Figura 2.15), esto depende del espacio, hay que mencionar que por lo general los tanques circulares ayudan a ahorra espacio y además tienen la ventaja de tener una mayor resistencia a la presión, también en este tipo de sistemas se utilizan dispositivos para mantener las variables, como oxígeno disuelto, turbidez por mencionar algunas. Las densidades manejadas en este tipo de cultivos son por m 3 debido a que ya no se tiene un área grande generalmente se usan densidades de 20 a 30 peces/ m 3 (Stickney, 2000). Figura 2.15 Sistema de cultivo semi-intensivo. 25

36 Cultivo intensivo: en este tipo de cultivo se utilizan los llamados sistemas controlados es decir se usan una gran cantidad de dispositivos eléctricos y electrónicos para controlar las variables óptimas de los organismos, incluyendo un sistema de protección o invernadero para mantener la temperatura (véase Figura 2.16). En cuanto a la alimentación se usan alimentos que tiene una variedad de nutrientes principalmente proteína para ayudar al crecimiento del pez. Las densidades que se manejan son de 30 a 60 peces/ m 3 (Pillay y Kutty, 2005). Figura 2.16 Cultivo intensivo en tanques de geomembrana 2.8 Relaciones alométricas El conjunto de todos los procesos de transformación y el uso de energía y materiales se llama metabolismo, en otras palabras es la velocidad a la cual la energía es consumida por el organismo también llamada tasa metabólica (Silva et al., 2006). En un los organismos aeróbicos es equivalente a la tasa de consumo de oxígeno, la importancia de la tasa metabólica recae en que es la limitante de los procesos biológicos en los diferentes niveles de organización, esta varía dependiendo de la actividad del organismo, y los factores externos tales como la temperatura del medio ambiente. 26

37 La relaciones alométricas entre el crecimiento y el peso corporal en animales ha sido expuesto tomando en consideración que el crecimiento es el resultado de la interacción de dos procesos el anabolismo y el catabolismo. La relación alométricas entre el anabolismo y el peso corporal en poquilotermos se atribuye a la limitación de superficie asociados con la absorción de nutrientes y el intercambio de gases (Tran-Duy et al., 2008). La ecuación de las relaciones alométricas es: en donde es una constante, b es llamada el exponente alométrico puede ser la tasa metabólica, el ritmo cardiaco, el diámetro del fémur o el tiempo de vida. Cuando el valor de 1 es llamado alometrico ya que la palabra alométrico viene del griego que se significa medida diferente. En el caso en que 1 es conocido como relación isométrica (Silva et al., 2006). 2.9 Modelos de Crecimiento El crecimiento puede ser definido como cualquier cambio en tamaño o cantidad de cuerpo, no importando si este cambio es positivo o negativo que se da cuando el organismo no crece (Bravo et al., 2008). A su vez dicho crecimiento es de gran importancia en los sistemas acuícolas, también el crecimiento se ha incorporado como parte de la función de producción en modelos pesqueros como acuícolas. Como todo fenómeno biológico, el crecimiento esta modulado por factores abióticos, entre ellos la temperatura. El establecer la interacción entre la temperatura y el crecimiento, se pueden presentar algunas complicaciones en los cultivos silvestres, pero en el caso de los cultivos controlados existe un mayor control sobre las variables productivas (Pérez, 2010). La forma de medir al pez puede variar ésta puede ser midiendo su longitud ya sea individual o en varias partes de su anatomía. Una forma simple de medir al pez es con la ayuda de una tabla de madera y sobre esta obtener las medidas 27

38 (Sidek y Halawani, 2010). También dicha medición se puede hacer con base en el peso ya que en ésta se considera todo el cuerpo además es fácil de medir el peso sin dañar al organismo ya que este es colocado en una balanza (Jones et al., 2010). Con la obtención de la longitud del pez se puede obtener el peso esto se hace con la ecuación: (1) En donde es el peso total del pez, la longitud total, la intersección en el eje-y y es un exponente (Bravo et al., 2008). Uno de los primero modelos de crecimiento fue el de Von Bertallanffy la base de este modelo es el de etiquetar al pez para que después de un tiempo el mismo pez sea capturado y obtener las diferencias de los parámetros. También se toma en cuenta la estación del año ya que en verano los peces crecen con mayor rapidez (Springborn et al., 1994). Hay que mencionar que la tasa de crecimiento está relacionada con el anabolismo y el catabolismo, las tasas de crecimiento son afectadas por la transferencia de calor del ambiente (Kielbassa et al., 2010). La ecuación de von Bertallanfy es expresada por: 1 (2) Donde es la longitud esperada a una edad, la media máxima de crecimiento, es el coeficiente de Brody o parámetro de la curva y es la edad teórica en la longitud inicial (Roman-Roman et al., 2010). Hay otros modelos de crecimiento que estiman la población en stocks de peces esto para evitar la sobreexplotación de los recursos (Jensen, 2000). El modelo es descrito por:, 0,1,2,. 1 Donde es el tamaño de la población en el tiempo, y son constantes (Tanget al., 2006). (3) 28

39 Otro modelo utilizado en la investigación de la pesca es el de Schnute este modelo es capaz de asumir un rango amplio de formas características que describen el crecimiento asimétrico y no asimétrico (Yuancai et al., 1997). El modelo de Schnute es: 1 (4) 1 En donde es la longitud a la edad, 1 y 2 son longitudes a la edad y, estos últimos parámetros son elegidos de entre edades observadas en los animales. Los parámetros y, 1 y 2 son encontrado por minimización de suma de cuadrados (Millsteind y O Clair, 2001). Modelos que se basan en una variable como es el caso del modelo de Soderberg, el cual se basa en la temperatura, dicho modelo lo obtuvo mediante la combinación de datos obtenidos a lo largo de 2 años. Con base a estos datos realizó una regresión simple y determinó una ecuación para predecir el crecimiento de la tilapia del Nilo con un rango de temperaturas de 21-30ºC, L T r 0.95 (5) En la ecuación 5 L es la predicción del crecimiento en (mm d-1) y es la temperatura. Lo anterior se puede convertir a longitud con la siguiente expresión: W L (6) Al sustituir en la ecuación 6 la longitud obtenida en la ecuación 5 se obtiene el peso (Soderberg, 2006). 2.9 El microcontrolador El inicio de los microcontroladores se remonta a los años 70 s con la aparición de los microprocesadores, que se empezaron a utilizar en las Unidades Centrales de Procesamiento (CPU), dichos microprocesadores contenían varios circuitos integrados y rápidamente las computadoras pasaron de 8 bits hasta 32 29

40 bits. Con base en lo anterior los diseñadores aprovecharon el poder de los microprocesadores, así que esta misma tecnología fue utilizada para controlar aparatos como refrigeradores, o la puerta de un automóvil. (Wilmshurst, 2010). Ahora con los nuevos avances en Very Large Scale Integrated (VLSI), se ha hecho posible construir toda una computadora dentro de un chip individual y ésta con un diseño específico. Este chip individual es llamado microcontrolador y es usado como la base en muchos componentes tecnológicos (Turkoglu, 2007). En el mercado existen una gran cantidad de fabricantes de microcontroladores como Microchip, Rabbit, Atmel, Texas Intruments entre otros. El término micro es referido al tamaño ya que los microcontroladores son pequeños, el término controller se refiere a que el dispositivo puede ser usado para el control de aplicaciones. Otro término usado en los microcontroladores es el de controlador embebido, esto debido a que la mayoría de los microcontroladores están integrados en los dispositivos que controlan (Ibrahim, 2006). Los microcontroladores difieren de los microprocesadores en varios aspectos, la diferencia principal es que el microprocesador requiere de otros componentes para su funcionamiento, tales como memoria de programa, dispositivos de entrada y salida, un circuito de reloj externo y memoria de datos (Mazidi et al., 2008). Para que un microcontrolador funcione correctamente por dentro tiene memoria de programa, memoria de datos, microprocesador, entradas y salidas, puertos analógicos entre otros como se muestra en la Figura

41 Fuente: Wilmshurst, Designing embedded systems with PIC Figura 2.17Esquema interno de un microcontrolador. Los microcontroladores más comerciales son los de Microchip comúnmente llamados Programmable Integrate Circuit (PIC s), su arquitectura se basa en una modificación de la Harvard Reduced Instruction Set Computer (RISC) que permite desde 6 a 80 pines y de 128 kilobytes a 384 bytes de memoria de programa, dentro de este tipos de microcontroladores los de la serie 18F son los más populares debido a su rapidez y flexibilidad (Turkoglu, 2007). El funcionamiento de un microcontrolador que ya tiene una serie de instrucciones se basa en lo siguiente; primero trae las instrucciones que ya han sido guardadas en la memoria para después codificar una por una y luego lleva a cabo las operaciones necesarias. La programación de los microcontroladores ha cambiado ya que en un inicio se programaban con el lenguaje ensamblador, pero dicha programación tenía varias desventajas como la dificultad de aprender las instrucciones, además actualmente cada compañía tiene su forma de programación; en otras palabras cada vez, que se cambia de marca se tendrá que aprender un lenguaje nuevo de programación tales como BASIC, PASCAL y C. Dichos lenguajes de programación son de alto nivel, este tipo de lenguajes tienen la ventaja de que son sencillos y 31

42 fáciles de aprender, otra ventaja es que con los lenguajes de alto nivel se pueden programar operaciones más complejas (Perez y Areny, 2009). Hay una gran cantidad de microcontroladores en el mercado, pero tienen diferentes características la manera de distinguir los microcontroladores entre si es con la ayuda de las familias, es decir un número o letras que identifican a dicho microcontrolador. Una familia puede tener en común el microprocesador, pero lo que varía son los periféricos y distintos tamaños de memoria. Otra forma para distinguir a una familia de otra es con los bits soportados por el microcontrolador las cuales son 8, 16 y 32 bits (Wilmshurst, 2010). Algunas características de los microcontroladores son (Bayindir y Ates, 2007). Unidad central de procesamiento. El costo es muy bajo. Bajo consumo de energía. Contiene memoria RAM, EPROM, EEPROM. Timer, contadores, interrupciones, una gran cantidad de entradas y salidas. Es de fácil programación. 100,000 veces de borrado y escritura en la memoria Flash. 40 años de retención de la memoria Flash/EEPROM. Rango de voltaje de 2.0V 5.5V. Universal Serial Bus (USB). Ya que el microcontrolador consume 5 V permite que sea alimentado por cualquier batería lo cual hace que este tipo de dispositivos sean de mayor uso en la actualidad. 32