articuloCWCAS

Vista previa del material en texto

Sensing and transmition system using Wi-Fi
technology
Jeisson Alejandro Gutierrez
Universidad Nacional de Colombia
Grupo de Microelectrónica (GMUN)
Facultad de Ingeniería
Bogotá, Colombia.
Email: jalgutierrez@unal.edu.co
Giovanni Baquero Rozo
Universidad Nacional de Colombia
Grupo de Microelectrónica (GMUN)
Facultad de Ingeniería
Bogotá, Colombia.
Email: gabaqueror@unal.edu.co
Sebastián Eslava Garzón
Universidad Nacional de Colombia
Grupo de Microelectrónica (GMUN)
Facultad de Ingeniería
Bogotá, Colombia.
Email: jselavag@unal.edu.co
Abstract—Technology uses in beekeeping can revolutionize how
it is done in the country, optimizing it to future generations
of beekeepers. Using an embebid system that senses the bees
alimentation’s food tank, the temperature, and the relative
humidity; it gives the beekeeper information outside the hive,
preventing the opening of the hive when unnecessary. In a radius
of 500 meters 250 hives can be connected to a central terminal
in charge of monitorizing then and sending text massage alarms
and e-mails when an event occurs.
keywords: embedded system, Wi-Fi, Sensing, beekeep-
ing,beehive.
I. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de monitoreo en apicultura han evolucionado
en las últimas décadas, países como Estados Unidos y España,
han pasado del uso de sistemas manuales a sistemas automáti-
cos, por razones muy relevantes.
Los sistemas utilizados en la apicultura realizan monitoreo de
colmenas teniendo en cuenta factores importantes que dan una
descripción del comportamiento y actividades de las abejas.
La temperatura es el factor más importante que tiene que
ser monitoreado ya que de lo contrario no se podrá mantener
la temperatura (35C) necesaria para el nido de la cría [1] y
afectará el aumento de población.
Asimismo las provisiones de alimentos para las abejas hacen
la colmena más productiva y permite un mayor tamaño de
población [3], por tanto, mantener monitoreado el tanque de
alimentación de la colmena favorece el aumento y producción.
Sin de olvidar que la apertura prolongada de la colmena
generan tres peligros: enfriamiento de la cría, desorganización
de la colonia y pillaje [4]. El enfriamiento de la cría muestra
su efecto a los pocos días cuando aparecen muertas las larvas y
ninfas. Otra variable física de gran importancia en la colmena
es la humedad relativa al interior, pues de no ser controlada,
la humedad excesiva favorece la aparición de enfermedades y
estropea el material [2] producido por las abejas.
Los sistemas de monitoreo inalámbrico actuales deben su
existencia a la investigación en diferentes áreas como el sector
industrial, sector salud, negocios, seguridad y agricultura entre
otros[5]. En el área de agricultura el sensado es usado para
recolectar información de cultivos, suelo y el clima[6]. Sigu-
iendo los mismos lineamientos de investigación en sistemas de
Fig. 1. Diagrama del sistema
monitoreo inalámbrico en la agricultura, este artículo presenta
una investigación en sensado de las principales variables y
alarmas presentes en una colmena apícola, usando tecnología
inalámbrica. [1].
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema de monitoreo inalámbrico para colmenas apícolas
MIPCA conecta, mediante una red inalámbrica Wi-Fi, un
conjunto de colmenas de un apiario a una estación central, que
se encuentra ubicada a 500 metros de distancia del apiario. La
estación posee un router que permite la conexión a la red
de internet y GPRS como muestra la figura 1. El sistema
MIPCA es completamente autónomo y es una herramienta de
supervisión para los apicultores, que les permita conocer el
estado de las colmenas y sin importar la hora o su ubicación.
MIPCA informa el estado de las variables físicas correspondi-
entes a la temperatura y humedad al interior de la colmena. A
su vez, permite informar sobre sucesos tipo alarma: el primer
estado interno corresponde al nivel del tanque de alimentación
de las abejas y el segundo estado corresponde a la apertura o
cierre de la colmena.
Los componentes que constituyen el sistema son software
y hardware.
Hardware: La terminal de monitoreo ubicada en la colmena,
el cual tiene el sistema embebido, la adaptador de conexión
inalámbrica, una tarjeta hija y una pantalla LCD. La terminal
del apiario tiene un router de alta potencia que permite a las
colmenas el acceso a internet y que el sistema sea autónomo.
Software: Correspondiente a la programación desarrollada para
el funcionamiento de la aplicación, como los controladores
para los sensores y programación de uso de internet para enviar
alarmas e informes.
III. EQUIPO EN LA COLMENA
La terminal ubicada en la colmena usa la tarjeta embebida
Chumby Hacker Board que permite conectar, programar y
administrar todos los dispositivos del sistema [10], el módulo
de adquisición de variables físicas y alarmas, una pantalla LCD
para visualizar en campo lo que ocurre dentro de la colmena,
una adaptador WIFI que permite la conexión a internet del
sistema para el envío de datos o paquetes de información a
diferentes destinos y una tarjeta hija.
A. Tarjeta embebida
MIPCA usa la tarjeta embebida Chumby Hacker Board; es
un sistema que trabaja bajo una plataforma de software libre
basada en Linux, aunque usa una mucho más liviana. Utiliza
solo los paquetes necesarios para el sistema de monitoreo, lo
que permite un trabajo óptimo, rápido y eficaz en campo. El
kernel utilizado soporta dispositivos para conexión inalámbrica
Wi-Fi y a su vez permite el uso de software para programar
la comunicación y transmisión de paquetes de datos. La
característica más importante de la tarjeta es que permite la
integración de todos los módulos en un único sistema con la
capacidad de cumplir con las siguientes tareas:
1) Adquisición y administración de variables físicas y alar-
mas.
2) Almacenamiento en un archivo de texto de las variables
físicas y alarmas.
3) Envío de mensajes de texto a celulares reportando alar-
mas de la colmena en cualquier momento y en tiempo
real.
4) Envío de correos electrónicos para reportar alarmas.
5) Envío de reportes cada 24 horas, del comportamiento de
las variables y las alarmas de la colmena.
B. Módulo de adquisición de variables físicas y alarmas
Este módulo está constituido por tres sensores: sensor de
temperatura y humedad, sensor de apertura y sensor de nivel;
ubicados en la colmena como se muestra en la figura 2.
Las variables físicas medidas son temperatura y humedad,
la adquisición de temperatura es realizada en grados Celsius
y la humedad es sensada en un rango de porcentajes de
humedad relativa, de acuerdo a las condiciones internas de
la colmena. El sensado de temperatura y humedad se hace en
un solo sensor, que a su vez no requiere acondicionamiento
de señal dado que el sensor está montado sobre una tarjeta de
acondicionamiento diseñada por el fabricante.
La alarma de apertura de la colmena es realizada con un sensor
magnético de seguridad, que permite determinar los estados de
la colmena; apertura o cierre.
La alarma de nivel es realizada con un sensor ON OFF,
que permite monitorear el estado del nivel del tanque de
alimentación de la colmena en tiempo real.
Fig. 2. Diagrama del sistema
Los sensores de adquisición realizan un monitoreo cada 30
segundos de variables y alarmas dentro de la colmena.
La lectura de los sensores de la colmena es realizada uti-
lizando los controladores desarrollados de acuerdo con las
características de cada sensor. Para el sensor de temperatura
y humedad fue implementado un controlador de acuerdo a las
especificaciones de la hoja de datos y los requerimientos de
diseño, funciona usando un protocolo de comunicación serial
pseudo I2C. Mientras que para los sensores de nivel y apertura
de la colmena los controladores están basados en estados ON
OFF y requerimientos de diseño.
C. Pantalla LCD
La implementación del módulo de visualización en campo,
permite al apicultor conocer las principales variables y estados
al interior de la colmena. La pantalla LCD implementada
cuenta con un espacio de visualización de 80 caracteres,que son utilizados en la visualización de las dos variables
físicas, estados de las dos alarmas y el estado de los reportes
generados.
El controlador para LCD de 4 líneas no estaba disponible para
la tarjeta embebida, por tanto fue desarrollado de acuerdo a
las características del dispositivo y especificaciones de la hoja
de datos.
D. Adaptador Wi-Fi
Para realizar el reporte diario y la entrega de los estados
de las alarmas a los apicultores, el sistema de monitoreo
requiere una conexión a internet. Para proporcionar el servicio
es utilizado un adaptador de conexión a internet inalámbrica.
Los criterios fundamentales para la selección del adaptador
inalámbrico dependían de los controladores disponibles sobre
el Kernel del sistema embebido, disponibilidad en el mercado,
potencia de recepción y envío de señal. Aunque el sistema de
archivos del sistema embebido soporta diferentes tecnologías
pero son pocos los disponibles en el mercado. Así, la selección
fue basada en estos tres criterios, siendo la potencia de
recepción y área de cobertura los criterios más relevantes. El
adaptador de conexión inalámbrica cuenta con una antena de
recepción de alta potencia y alto alcance.
Para usar el dispositivo sobre el sistema embebido fue nece-
sario activar y cargar el controlador en el Kernel. Finalmente
realizar la configuración de las frecuencias de trabajo del
dispositivo de acuerdo a la ubicación geográfica.
E. Tarjeta hija
Para realizar la conexión física entre el sistema embebido
con los dispositivos auxiliares, como la pantalla LCD, la
conexión a sensores y conexiones de energía, fue diseñada
una tarjeta hija en Kicad, que permite realizar este trabajo.
IV. TERMINAL DE COMUNICACIÓN A INTERNET
Para alcanzar los 500 metros de distancia entre el apiario
y el punto de conexión a internet es usado un Router de alto
alcance que garantiza realizar la conexión inalámbrica. Dentro
de los criterios de selección del router el más importante es
que el dispositivo permite realizar modificaciones al sistema
operativo, siguiendo los mismos lineamientos del software
libre.
El dispositivo seleccionado tiene un alcance de 220 metros de
acuerdo a especificaciones del fabricante, a la vez, el router
permite cambiar las antenas con las que viene equipado. El
cambio permite usar dispositivos más potentes que pueden
mejorar el área de cobertura del router hasta por un factor de
cinco. Las antenas fueron remplazadas y aumentan el área de
cobertura por un factor de tres, obteniendo un área de cobertura
de 660 metros, valor que se encuentra por encima de las
especificaciones del área a cubrir. Sin embargo, el dispositivo
receptor es de alto alcance y posee un área de cobertura de
100 metros.
De esta forma, la terminal de comunicación garantiza la
conexión a internet, teniendo en cuenta la distancia requerida
por el sistema.
V. PROTOCOLO DE LA APLICACIÓN
El protocolo de comunicación utilizado por el sistema es el
IEEE 802.11, con alta tasa de transferencia y alta potencia [8].
La configuración de la red usa una topología estrella, lo que
permite conectar hasta 255 colmenas al mismo receptor, con el
método de transmisión OFDM. Adicionalmente, este estándar
de comunicación trabaja en la banda ISM a 2.4 GHz o 5GHz
y una potencia aproximada de 100mW por cada 100 metros de
rango. Este protocolo de comunicación evita la interferencia
y el ruido [9]
Las ventajas más sobresalientes del protocolo de comunicación
802.11 es que de acuerdo al dispositivo seleccionado es posible
trabajar bajo distintas designaciones del estándar, como lo son
802.11g, 802.11n para conexiones de gran alcance.
VI. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
A. Lectura y almacenamiento de variables físicas y alarmas.
El módulo que controla la adquisición de variables físicas
y alarmas maneja un programa principal (main.c) que hace el
llamado por separado a cada uno de los controladores de los
sensores. Posteriormente realiza un llamado al controlador de
Fig. 3. Programa principal de variables físicas y alarmas
Fig. 4. Programa principal de envío de alarmas y reportes
la pantalla LCD, para realizar la visualización y la escritura
de los datos que acaban de ser obtenidos y por último realiza
la escritura sobre el archivo de texto. Este proceso es ilustrado
la figura 3.
Todos los controladores implementados fueron escritos en
lenguaje C, para posteriormente convertir este código a
lenguaje de maquina apropiado para que el sistema embe-
bido pueda interpretar y ejecutar la programación de forma
adecuada.
B. Envío de alarmas y reportes
Posterior a la adquisición y almacenamiento de variables
físicas y alarmas sobre el archivo de texto, es necesario leer
la información y establecer cuando debe ser enviada una
alarma o un reporte. Para realizar estas tareas fue necesario
desarrollar una aplicación que permitiera leer la información
y de acuerdo a los datos almacenados realizara el envío de
alarmas al celular o al correo electrónico. La tarjeta embebida
seleccionada soporta varios lenguajes de programación. Por
tanto, se instaló sobre la tarjeta un software que permita usar
internet desde el entorno de programación.
Sobre el entorno de programación fue realizado el software
capaz de leer el archivo de texto y de acuerdo al contenido
tomar la decisión de enviar o no alarmas o reportes de acuerdo
a los datos obtenidos. El controlador de eventos posee un menú
principal que hace el control de envío de alarmas y reportes,
la figura 4 ilustra el funcionamiento de éste.
Fig. 5. Montaje sobre la colmena
C. Terminal receptora y proveedor de servicios
Las terminales finales receptoras de las alarmas o de las
variables físicas son celulares y el correo electrónico. Los
celulares son utilizados para informar de las alarmas en el
sistema, usando mensajes de texto SMS a diferentes destinatar-
ios, de acuerdo a los requerimientos del apicultor. El uso del
celular permite informar al apicultor a través del SMS, sobre
los eventos importantes que están ocurriendo en la colmena
en cualquier hora y lugar, eliminando cualquier limitación
que puede tener un sistema de monitoreo por cobertura. Para
realizar el envío de mensajes de texto a celulares el sistema
usa en primera instancia la red de internet y luego usa la
red GSM para finalmente entregar los mensajes de texto. El
proveedor del servicio de mensajes de texto, es una compañía
presta servicio de venta de mensajes de texto a celular.
Por otro lado, el correo electrónico tiene dos finalidades; la
primera, entregar las alarmas de la colmena en tiempo real a
diferentes destinatarios y la segunda entregar reportes diarios
del comportamiento de la colmena a los apicultores. El reporte
tiene el archivo de texto con la información sobre las dos
variables físicas y las dos alarmas de la colmena y se usa
como sistema de soporte y complemento al SMS.
MIPCA cuanta con conexión a la red de internet, permitiendo
adjuntar diferentes tipos de paquetes de información, desde
archivos de texto hasta archivos de video. Asimismo, permite
el uso de la red para entregar paquetes de información a bases
de datos virtuales o cualquier aplicación que requiera el uso
de internet.
VII. PRUEBAS Y RESULTADOS
MIPCA fue ensamblado y montado sobre una colmena
apícola en laboratorio para realizar pruebas. La figura 5
permite observar el módulo de adquisición sobre la colmena.
La figura 6 permite observar todo el sistema implementado
para realizar pruebas en el laboratorio.
Finalmente, la figura 7 muestra el sistema de medición y
transmisión inalámbrica.
Para las pruebas de funcionamiento del sistema MIPCA
en laboratorio, fueron establecidas ciertas condiciones con-
troladas con el fin de evaluar la efectividad del sistema. Las
condiciones establecidas y los resultados están resumidos en
la tabla 1.
La entrega de alarmas y reportes al correo electrónico y
Fig. 6. Pruebas del sistema completo
Fig. 7. Equipo MIPCA
celular fueron realizadas y La figura 8, muestra los correos
electrónicos generados, en la parte superior se puede observar
la imagen del contenidode las alarmas y en la parte inferior
la imagen del reporte con un archivo adjunto. MIPCA fue
probado durante dos días continuos para verificar envío de
informes diarios y envío de alarmas.
Nivel Est Col Esc Txt Email SMS Frec
Normal C. Cerrada Si No No 30 s
Normal C. Abierta Si Si Si 30 s
Bajo C. Cerrada Si Si Si 30 s
Bajo C. Abierta Si Si Si 30 s
X X Si Si No 24 h
VIII. CONCLUSIONES
• La construcción de un equipo económico y de manejo
autónomo para el monitoreo apícola es posible, viable
y no demanda gran cantidad de recursos humanos ni
económicos.
Fig. 8. Alarmas y reportes en el mail
• Los sistemas embebidos son herramientas muy robustas,
confiables y seguras para el desarrollo de dispositivos o
aplicaciones en áreas de la agricultura.
• El sistema MIPCA ofrece monitoreo inalámbrico a las
colmenas apícolas facilitando y optimizando el trabajo
realizado por los apicultores, además reduce la interven-
ción del hombre en las colmenas evitando daños en la
población de las abejas.
• El uso de internet en la colmena permite enviar paque-
tes de información de cualquier tipo, siendo una gran
ventaja, pues permite adjuntar cualquier tipo de archivo
incluyendo archivos de audio que es una variable impor-
tante en la apicultura, dado que las abejas se comunican
a través de vibraciones mecánicas.
• Los aportes realizados por el sistema de monitoreo in-
alámbrico apoyan la investigación en la apicultura e
impulsan el crecimiento económico en el sector agrícola
del país.
REFERENCES
[1] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 63, 1986
[2] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 49, 1986
[3] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 64, 1986
[4] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 52, 1986
[5] J. Yick, B. Mukherjee, Wireless sensor network survey.Computer Net-
works 2292, 2007
[6] A. Rehman, Z. Abbasi,N. Islam A review of wireless sensors and
networks’ applications in agriculture. 1-2, 2011
[7] https://sites.google.com/site/grupoapicolagaun/
[8] M. Abdul , Comparative Study of Wireless Protocols - Wi-Fi, Bluetooth,
ZigBee, WirelessHART and ISA SP100, and their Effectiveness in Indus-
trial Automation. Thesis, 31, 2010.
[9] M. Abdul , Comparative Study of Wireless Protocols - Wi-Fi, Bluetooth,
ZigBee, WirelessHART and ISA SP100, and their Effectiveness in Indus-
trial Automation. Thesis, 60, 2010.
[10] http://www.ladyada.net/learn/chumby/