DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
AUTOMATIZADO PARA LA CLASIFICACIÓN
DE UVAS SEGÚN SU COLOR
DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AUTOMATED
PROTOTYPE FOR THE CLASSIFICATION OF GRAPES
ACCORDING TO THEIR COLOR
Ing. Hernán Vinicio Morales Villegas
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ecuador
Lizeth Pamela Casa Chacha
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ecuador
Dennis Andrés Villacis Jerez
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ecuador
Karen Anahy Chamorro Andrade
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ecuador
Santiago Ezequiel Toapanta Minta
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L, Ecuador
pág. 8607
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.13019
Diseño y Construcción de un Prototipo Automatizado para la Clasificación
de Uvas Según su Color
Ing. Hernán Vinicio Morales Villegas
1
hvmorales@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L
Latacunga, Ecuador
Lizeth Pamela Casa Chacha
lpcasa1@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L
Latacunga, Ecuador
Dennis Andrés Villacis Jerez
davillacis3@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L
Latacunga, Ecuador
Karen Anahy Chamorro Andrade
kachamorro1@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L
Latacunga, Ecuador
Santiago Ezequiel Toapanta Minta
setoapanta@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L
Latacunga, Ecuador
RESUMEN
En este trabajo se describe el diseño de un prototipo de sistema tecnológico para la clasificación del
color de las uvas, un proceso que es fundamental en la industria vitivinícola para garantizar la calidad
del vino producido. Actualmente, la clasificación de uvas se realiza de manera manual, lo cual es un
proceso no solo laborioso y lento, sino también altamente subjetivo, lo que puede provocar
inconsistencias en la selección de las uvas y, en última instancia, afectar la calidad del producto final.
Con el objetivo de mejorar la precisión y eficiencia en esta etapa crítica del proceso de producción, se
ha diseñado un prototipo innovador que emplea tecnología avanzada para la clasificación automática
de las uvas. El sistema desarrollado utiliza un sensor de color TCS230, un dispositivo que permite
detectar y clasificar las uvas de manera automática en función de su color, asegurando así una selección
más uniforme y precisa. Esta automatización no solo reduce significativamente la dependencia del
trabajo manual, sino que también minimiza los errores humanos, optimiza el tiempo de procesamiento
y contribuye a una producción más eficiente y de mayor calidad. Además, al incorporar este tipo de
tecnología en la agricultura, se promueve la modernización del sector.
Palabras claves: agricultura, clasificación de uvas, producción, prototipo, sensor de color
1
Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
pág. 8608
Design and Construction of an Automated Prototype for the Classification
of Grapes According to Their Color
ABSTRACT
This work describes the design of a prototype technological system for the classification of grape color,
a process that is fundamental in the wine industry to ensure the quality of the wine produced. Currently,
the sorting of grapes is done manually, which is not only a laborious and slow process but also highly
subjective, which can lead to inconsistencies in the selection of grapes and ultimately affect the quality
of the final product. With the aim of improving accuracy and efficiency in this critical stage of the
production process, an innovative prototype has been designed that uses advanced technology for
automatic sorting of grapes. The developed system uses a TCS230 color sensor, a device that allows
grapes to be automatically detected and classified according to their color, thus ensuring a more uniform
and precise selection. This automation not only significantly reduces reliance on manual work, but also
minimizes human errors, optimizes processing time and contributes to more efficient and higher quality
production. In addition, the incorporation of such technology into agriculture promotes modernization
of the sector.
Keywords: agricultura, grape classification, production, prototype, color sensor
Artículo recibido 10 julio 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
pág. 8609
INTRODUCCIÓN
La necesidad de implementar nuevas tecnologías en la clasificación de las uvas en la industria de
producción se planteó el desarrollo de un sistema automatizado empleando un sensor de color, un
servomotor y para el control una tarjeta Arduino. Este sistema permitirá la clasificación de las uvas de
acuerdo con su color ya sean rojas o verdes, ya que en la industria hortofrutícola prevalece la calidad y
la precisión en la clasificación para así satisfacer las necesidades del mercado y poder garantizar la
competitividad del negocio. (Huang et al., 2022).
Hoy en día, la industria hortofrutícola exige una clasificación precisa para conservar la calidad de
entrega del producto. Sin embargo, la clasificación manual que se maneja en la actualidad no es
suficiente ya que existen errores humanos que pueden generar mayores costos en la clasificación y por
ende la calidad de entrega del fruto es menor. Por esta razón, se ha desarrollado soluciones innovadoras
como es la utilización de sensores ópticos, los cuales permiten identificar las características físicas del
fruto como es el tamaño, forma y textura para así mejorar el proceso de clasificación (Maquinaria, 2023)
De igual manera, en la industria vitivinícola, la precisión en la clasificación del color de las uvas es
esencial para asegurar la calidad del vino. Las uvas clasificadas incorrectamente pueden afectar
negativamente las características sensoriales del vino, como su sabor, aroma y color, lo que a su vez
impacta la percepción del consumidor y la competitividad en el mercado (enovinos, 2023). Por lo tanto,
la implementación de tecnologías automatizadas no solo optimiza la eficiencia del proceso, sino que
también asegura que la calidad del producto final esté alineada con los estándares exigidos por los
consumidores y reguladores del sector vitivinícola. (Franco, 2013)
La vitivinicultura es la rama de la agricultura que se dedica al cultivo de la vid y la producción de vino.
Esta industria abarca una amplia gama de actividades, que incluyen desde la selección y plantación de
las vides hasta la cosecha de uvas, su procesamiento en bodegas, y finalmente la comercialización del
vino. La calidad del vino está estrechamente vinculada a factores como el tipo de uva, el clima, el suelo,
y las técnicas de vinificación utilizadas. Dentro de este proceso, la clasificación de las uvas por su color
es un paso crucial, ya que determina en gran medida el perfil sensorial del vino.(San Juanito, 2024)
La vendimia, que es la fase específica de la recolección de las uvas, juega un papel vital dentro de la
vitivinicultura. El momento de la vendimia es cuidadosamente seleccionado para asegurar que las uvas
pág. 8610
alcancen el grado óptimo de madurez, lo que influye directamente en el perfil de sabor y calidad del
vino final. Una vendimia realizada en el momento preciso garantiza que las uvas contengan el equilibrio
adecuado de azúcares, ácidos y compuestos fenólicos, esenciales para la vinificación (Aduna, 2023).
Además, la forma en que se realiza la vendimia, ya sea de manera manual o mecanizada, también puede
afectar la integridad de las uvas y, en consecuencia, el proceso de producción del vino. Por estas razones,
la vendimia es considerada una de las etapas más críticas en la elaboración del vino, y cualquier avance
tecnológico que mejore la eficiencia y precisión en esta fase puede tener un impacto significativo en la
calidad y consistencia del producto final. (Puelles, 2023)
Angos & Calvopiña (2013) exponen diversos métodos de clasificación que se pueden usar, detallados
a continuación:
Mesa de clasificación: Requiere de la intervención humana para la clasificación de productos,
revisando y analizando cada producto de manera individual.
Clasificadora de conducto inclinado:
Clasificación mediante anillos: Esta técnica consiste en atravesar los productos a través de unos anillos
los cuales poseen diferentes tamaños ya que este método permite separar los productos según su forma
o tamaño.
Clasificadora de conducto inclinado: Los productos descienden por gravedad; durante este descenso
existen dispositivos como palancas o vibradores, los cuales son los encargados de separar los productos
según su tamaño, forma o color, dirigiéndolos a diferentes canales de salida.
Por lo tanto, el método de clasificación seleccionado para el proyecto fue la clasificación de conducto
inclinado, ya que es un proceso simple e integra tecnología de sensores de color en el proceso de
clasificación de las uvas, el cual no solo busca aumentar la eficiencia en la producción, sino también
satisfacer al cliente. La automatización en la industria hortofrutícola ha mejorado paulatinamente, ya
que se han desarrollado sistemas más precisos capaces de realizar tareas de clasificación con la menor
intervención humana (Farcuh, 2021).
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MATERIALES Y MÉTODOS
1. Descripción de los elementos
Hardware: El hardware incluye una cámara de visión artificial para capturar imágenes y datos visuales,
iluminación LED para asegurar una adecuada visibilidad y calidad de imagen, un procesador que
maneja y analiza la información capturada, y un módulo de comunicación que permite la transmisión
de datos entre dispositivos y sistemas.
Elementos de software: El software incluye componentes de visión artificial para interpretar y analizar
datos visuales, procesamiento de imágenes para mejorar y transformar las imágenes capturadas, y una
interfaz de usuario que permite a los usuarios interactuar de manera eficiente y amigable con el sistema.
Diseño y construcción: El diseño y construcción de una estructura física implica la planificación
detallada y la creación de los componentes estructurales necesarios para soportar cargas y garantizar la
estabilidad. Esto incluye el montaje y soporte de elementos como vigas, pilares y estribos, asegurando
que cada componente esté correctamente alineado y fijado para proporcionar una base sólida y segura.
2. Selección de componentes
Iluminación LED: Los focos LED se usan para proporcionar una iluminación uniforme y de alta
calidad, crucial para obtener imágenes claras y detalladas. La iluminación adecuada mejora la
resolución de la imagen y facilita la detección precisa de colores y formas. Los focos LED son eficientes
energéticamente y tienen una larga vida útil, lo que los hace ideales para aplicaciones continuas.
A continuación, se muestra una tabla de diferente equivalencia de focos Led.
Tabla 1 Tabla de equivalencias LED (De la Lámpara, 2022)
Lúmenes
led
Fluorescentes
Incandescentes
80/90
1W
---
10W
240/270
3W
---
20W
400/450
5W
---
35W
560/630
7W
---
50W
800/900
10W
20W
80W
960/1080
12W
24W
100W
1200/1350
15W
30W
120W
1600/1800
20W
40W
150W
4800/5400
60W
120W
400W
6400/7200
80W
160W
450W
pág. 8612
La bombilla selecciona es la de 7W que nos proporciona 560/630 lúmenes.
Procesador
Arduino Uno: El Arduino Uno es una placa de microcontrolador basada en el ATmega328P. Es
ampliamente utilizado en proyectos de electrónica debido a su simplicidad y versatilidad. En este caso,
se utiliza para la detección de frutas mediante el color. El Arduino Uno procesa los datos recibidos de
los sensores de color y ejecuta algoritmos para identificar y clasificar las frutas según sus características
cromáticas. Su facilidad de programación y amplia comunidad de soporte lo hacen una opción popular
para proyectos de detección y automatización. (Aguayo, 2019)
Figura 1 Arduino UNO
(Aguayo, 2019)
Raspberry Pi: La Raspberry Pi es una computadora de bajo costo y con un tamaño compacto, del porte
de una tarjeta de crédito, puede ser conectada a un monitor de computador o un TV, y usarse con un
mouse y teclado estándar. Es un pequeño computador que correo un sistema operativo linux capaz de
permitirle a las personas de todas las edades explorar la computación y aprender a programar lenguajes
como Scratch y Python. (Cgarcia, 2020) Es capaz de hacer la mayoría de las tareas típicas de un
computador de escritorio, desde navegar en internet, reproducir videos en alta resolución, manipular
documentos de ofimática, hasta reproducir juegos. (Paguayo, 2022)
Figura 2 Raspberry Pi
(Paguayo, 2022)
pág. 8613
ESP32: El ESP32 es una serie de chips y módulos de bajo costo y consumo energético, desarrollados
por Espressif Systems. Este nuevo conjunto de dispositivos es la evolución del popular ESP8266, y su
principal ventaja es que, además de ofrecer conectividad Wi-Fi, también incluye soporte para Bluetooth.
(Carmenate, 2022)
Figura 3 ESP32
(Carmenate, 2022)
Tabla de especificaciones de los tipos de procesadores
Tabla 2 Tabla de especificaciones de los tipos de procesadores.
Especificación
Arduino Uno
Raspberry Pi 4 Model B
ESP32
Procesador
ATmega328P, 8-bit
AVR RISC
Quad-core Cortex-A72
(ARM v8) 64-bit
Tensilica Xtensa LX6
dual-core
Velocidad del CPU
16 MHz
1.5 GHz
160-240 MHz
Memoria RAM
2 KB SRAM
2 GB, 4 GB, o 8 GB
LPDDR4-3200
520 KB SRAM
Almacenamiento
32 KB flash
microSD (no incluida)
4 MB flash interna, soporta
externas
GPIO
14 digitales, 6
analógicos
40 pines GPIO
36 pines GPIO
Interfaces de
Comunicación
UART, I2C, SPI
UART, I2C, SPI, I2S,
USB, Ethernet
UART, I2C, SPI, I2S,
CAN, Ethernet
Wi-Fi
No
802.11ac
802.11 b/g/n
Bluetooth
No
Bluetooth 5.0
Bluetooth 4.2 y BLE
Ethernet
No
1 Gbps
Sí, vía PHY externo
Especificación
Arduino Uno
Raspberry Pi 4 Model B
ESP32
pág. 8614
Alimentación
5V USB o Jack de 7-
12V
5V USB-C
5V USB o 3.3V entrada
Sistema Operativo
Ninguno,
programación
directa (C/C++)
Linux (varias
distribuciones)
Ninguno, programación
directa (C/C++,
MicroPython)
Dimensiones
68.6 mm x 53.4 mm
85 mm x 56 mm
Varía según el módulo
Precio Aproximado
$20 USD
$35-$75 USD
$6-$10 USD
Especificación
Arduino Uno
Raspberry Pi 4 Model B
ESP32
Procesador
ATmega328P, 8-bit
AVR RISC
Quad-core Cortex-A72
(ARM v8) 64-bit
Tensilica Xtensa LX6
dual-core
Velocidad del CPU
16 MHz
1.5 GHz
160-240 MHz
Se opto por la utilización del Arduino UNO por la capacidad y fácil acceso que tiene este procesador.
Sensor: El sensor TCS34725 es un sensor de color RGB que puede detectar la intensidad de los colores
rojo, verde y azul. Este sensor es ideal para aplicaciones de detección de color debido a su alta precisión
y capacidad para medir la luz ambiental. El TCS34725 incluye un filtro de bloqueo de infrarrojos y un
convertidor analógico a digital (ADC) de 16 bits, lo que permite obtener lecturas precisas de color.
(Novatronic) En el contexto de la detección de frutas, este sensor se utiliza para identificar el color de
las frutas, lo que es esencial para su clasificación y procesamiento. (LLamas, 2018)
Figura 4 Sensor RGB
(Mesurex)
pág. 8615
Diseño de la estructura: El diseño de la estructura se planteó en base a un prototipado que pueda
contener los elementos necesarios de control, así como los mecanismos que permitan la inclinación del
desvío de frutas para su clasificación, tales como:
Balancín con guías laterales
Canal de ingreso del producto
Plataforma de Control
Para la estructura, la base sostiene todo el sistema, en ella estará empotrado el elemento que sostiene al
canal de desvío, el cual posee paredes que permiten la conducción del elemento, así como una entrada
con inclinación para clasificar las frutas, en la parte superior se encuentra una plataforma que contiene
el controlador (Arduino Uno), y a su vez por la parte inferior de esta plataforma esdispuesto el sensor
de color que brindará los datos necesarios para la clasificación.
Figura 5. Diseño del prototipo
Fuente: Autores
Para la disposición de elementos se plantea la distribución de los equipos como en la siguiente figura,
sin perturbar las señales de entrada y salida del sistema. Proporcionando un espacio adecuado para el
monitoreo y el accionamiento del servomotor dispuesto en la parte inferior de la estructura.
pág. 8616
Figura 6. Prototipo final
Fuente: Autores
Pruebas y Resultados Obtenidos
El sistema demuestra una alta precisión en la identificación de frutas en estado óptimo mediante la
utilización de algoritmos de visión artificial y aprendizaje profundo, logrando tasas de precisión
superiores al 90%. Al automatizar el proceso de identificación, se reduce significativamente la tasa de
errores humanos, asegurando que solo las frutas en condiciones óptimas sean seleccionadas para su
distribución. La implementación del sistema automatizado puede aumentar la velocidad del proceso de
selección, permitiendo procesar grandes volúmenes de frutas en menor tiempo en comparación con los
pág. 8617
métodos manuales. Al garantizar que solo las frutas en el mejor estado sean seleccionadas, se mejora la
calidad del producto final que llega al consumidor, lo que puede traducirse en una mayor satisfacción
del cliente y una mayor fidelidad a la marca. El sistema también puede contribuir a reducir el
desperdicio de frutas al identificar y separar adecuadamente aquellas que no están en estado óptimo
pero que pueden ser utilizadas para otros fines, como la producción de jugos o mermeladas. La
automatización puede resultar en ahorros significativos en costos laborales y operativos, ya que se
reduce la necesidad de mano de obra intensiva para la selección manual de frutas. Adicionalmente, el
sistema puede recopilar datos valiosos sobre el estado de las frutas, permitiendo realizar análisis
detallados y mejoras continuas en el proceso de selección y en la cadena de suministro. El diseño del
sistema es adaptable para identificar y procesar diferentes tipos de frutas pequeñas (como fresas, uvas,
cerezas, etc.), aumentando su versatilidad y utilidad en la industria. La compacidad del sistema lo hace
ideal para ser implementado en entornos con espacio limitado, como pequeñas granjas, invernaderos o
instalaciones de procesamiento de alimentos. Los algoritmos de visión artificial desarrollados son
robustos ante variaciones en el tamaño, forma y color de las frutas, así como ante diferentes condiciones
de iluminación y fondo. El sistema puede diseñarse para integrarse fácilmente con otras tecnologías y
sistemas existentes en la cadena de suministro y procesamiento de frutas, facilitando su adopción e
implementación.
CONCLUSIONES
El sistema de identificación de frutas mediante visión artificial y aprendizaje profundo alcanza una
precisión superior al 90%, lo que reduce significativamente la tasa de errores humanos y asegura la
selección de frutas en óptimas condiciones para la distribución.
La implementación del sistema automatizado no solo mejora la calidad del producto final que llega al
consumidor, sino que también contribuye a una mayor satisfacción del cliente y fidelidad a la marca
debido a la consistencia en la calidad de las frutas seleccionadas.
La automatización del proceso de selección permite procesar grandes volúmenes de frutas en menor
tiempo y con menor necesidad de mano de obra intensiva, resultando en ahorros significativos en costos
laborales y operativos, y optimizando el uso de recursos en la cadena de suministro.
Recomendaciones
pág. 8618
Se recomienda implementar este sistema en diversas instalaciones de procesamiento de frutas, incluidas
pequeñas granjas e invernaderos, para maximizar los beneficios de la alta precisión y la eficiencia
operativa.
Para facilitar una adopción más amplia y efectiva, es aconsejable diseñar el sistema para que se integre
fácilmente con otras tecnologías y sistemas existentes en la cadena de suministro y procesamiento de
frutas.
Aprovechar la capacidad del sistema para recopilar datos detallados sobre el estado de las frutas
permitirá realizar análisis continuos y mejoras en el proceso de selección, optimizando aún más la
eficiencia y la calidad del producto final.
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