Diseño y construcción de un sistema de medición y transmisión de información inalámbrico para la apicultura
Autor: Gutiérrez, Jeisson Alejandro
Asesor: Munévar Torres, Rosa Yolanda (Thesis advisor)
Fecha: 2012
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Este proyecto muestra el desarrollo de un sistema de medición, adquisición y transmisión de las principales variables físicas y alarmas presentes al interior de una colmena apícola. El sistema usa una conexión a internet de forma segura para entregar un reporte diario y el estado de alarmas al apicultor en sus cuentas de correo o teléfono celular en el momento que cualquier anomalía este presente. El sistema fue desarrollado de acuerdo a las especificaciones de los profesionales del grupo de apicultura de la Universidad Nacional de Colombia, junto con las recomendaciones realizadas por el grupo de investigación en microelectrónica GMUN e investigaciones que han sido realizadas en el área.

Sistema de Telemetría Apícola
SITAP
Sebastian Eslava G., Giovanni Baquero, Octavio Márquez R., Ángela Méndez A.,
Jeisson Gutiérrez
RESUMEN
Este documento presenta el desarrollo del Sistema de Telemetría Apícola (SITAP), un
sistema utilizado para monitorear el estado general de una colmena artificial y transmitir
la información adquirida. Existen ciertas variables físicas dentro de la colmena y
eventos sobre ésta que afectan la salud y productividad de las abejas; los rangos que
garantizan la salud y estabilidad de la colmena, para dichas variables físicas, fueron
identificados. En este documento se ilustra cómo se obtiene y se procesa esta
información para ser presentada al usuario final. También se ilustra, como la
información es adquirida y cómo ésta es presentada al usuario final sobre una pantalla
de cristal líquido y un archivo de registro que puede ser descargado en una memoria
USB, enviada vía correo electrónico o mensaje de texto.
Palabras Clave - Colmena, instrumentación, sistema embebido, sensor, dispositivo de
almacenamiento, transmisión inalámbrica.
ABSTRACT
This document presents the development of SITAP (Telemetry Beekeeping System
according to its initials in Spanish), a system used to monitor the general state inside of
an artificial beehive and transmit the acquired information. There are some physical
variables and events that directly affect the health and production of the bees, these
events and physical variables were identified, and its typical ranges to stand surety for
the health and stability of the population inside the beehive. This document illustrates
1how this information was acquired and how it is processed to be presented to the final
user. This article presents SITAP arranged in a regular beehive, how it acquires the
information and how this information is finally displayed over a liquid crystal display and
in a registration file to be downloaded to a pen drive, sent via e-mail or SMS.
Index Terms— Beehive, measurement, instrumentation, embedded system, sensor,
storage device, wireless transmission.
INTRODUCCIÓN
La apicultura es el arte de criar abejas para aprovechar sus productos [1], como la miel,
polen, propóleos y jalea real. En Colombia esta actividad agropecuaria está creciendo,
y cuenta con la presencia de un gran número de apicultores cuyos productos
provenientes de las abejas son comercializados en el mercado nacional. Para ampliar
las ventajas que ésta puede ofrecer al sector apícola es necesario difundir
conocimiento y aprovechar la tecnología, siempre de la mano con los distintos grupos
de interés para contribuir al bienestar, desarrollo y productividad de los apicultores y
sus comunidades.
Asia es el principal continente productor de miel; seguido por América donde
sobresalen Brasil, México y Argentina como el segundo productor a nivel mundial.
Colombia ocupa el puesto 70 en la producción global de miel, según la FAO (Food and
Agriculture Organization por sus siglas en Inglés). [2]
En la actualidad en Colombia la Universidad de Antioquia, la Universidad de Tolima y
la Universidad Nacional de Colombia [3], realizan investigaciones en el área apícola. En
la Universidad Nacional de Colombia el Grupo de Apicultura (GAUN), busca contribuir
2al desarrollo de la producción apícola mediante la formación y capacitación de
profesionales, el desarrollo de proyectos de producción, la investigación y transferencia
de tecnología a nivel regional y nacional.
Este artículo presenta el desarrollo e implementación de un sistema de lectura, registro
y transmisión variables físicas y eventos sobre una colmena que afectan la salud y la
productividad de su población.
CONDICIONES TOMADAS EN CUENTA
La temperatura es una variable física de gran interés para los apicultores, la colmena
debe mantenerse dentro del rango de 34° y 38°C para una salud y producción estables.
Si la temperatura dentro de la colmena aumenta por encima de 35°C las abejas
presentan un comportamiento particular, sacudiendo sus alas para disminuir la
temperatura y refrescarse. Si la temperatura dentro de la colmena sigue aumentando,
las abejas salen a ventilarla desde afuera. A 45°C las proteínas de las abejas se
coagulan y pierden sus funciones [4]. Con temperaturas inferiores a 12°C algunas
razas de abejas suspenden la puesta de huevos, puesto que las crías requieren de una
temperatura mayor y de un ambiente más húmedo (humedad relativa del 80%) que una
abeja adulta para sobrevivir; en una situación de frío continuo las abejas se agrupan en
“bolos invernales”, con la reina en el centro, para reducir el descenso de la
temperatura.
El agua es necesaria en la dieta de las abejas para su metabolismo, dilución de miel,
usada en la alimentación de las larvas, y para el acondicionamiento del aire al interior
de la colmena. El agua es obtenida habitualmente por las abejas de las gotas de rocío
3en las plantas o encharcamiento, siendo esta última posible fuente de contagio de
enfermedades; por ello es aconsejable tener cerca de los apiarios fuentes de agua
fresca, un bebedero higiénico bajo sombra y acondicionado de tal forma que permita a
las abejas beber sin ahogarse. [5]
Una colonia tiene aproximadamente una población de 60.000 individuos, de los cuales
más de la mitad salen diariamente a recolectar néctar y polen [6]. Si se identifica de
forma efectiva los individuos que salen diariamente de la colmena, se logra aproximar
la población dentro de la misma. El conteo de abejas que dejan la colmena puede
servir de indicador de ausencia de la reina o presencia de enfermedad.
La apertura continua de la colmena genera estrés en la población, afectando las
actividades normales al interior. Por ejemplo, cuando la colonia está en proceso de
fecundación de una nueva reina, abrir o molestar la colmena podría afectar el
proceso.[7]
En el ámbito colombiano y su desarrollo tecnológico es necesario tecnificar e
instrumentar el sector apícola para optimizar su producción. Para lograrlo se requiere
de un sistema de monitoreo que permita la lectura confiable de las variables descritas
anteriormente. Este sistema debe ser capaz de almacenar y de presentar al usuario el
estado general de las colmenas, ya sea que esté cerca del apiario o en un sitio remoto.
4Los sistemas de monitoreo electrónicos permiten realizar este tipo de tareas de forma
rápida y confiable a través de sensores cuyas características generales como:
precisión, robustez y confiabilidad, son adecuadas esta labor.
La adquisición de los datos, requiere que la información sea procesada, transmitida,
presentada de forma legible para el apicultor y almacenada para su posterior estudio.
Los sistemas de monitoreo inalámbrico actuales deben su existencia a la investigación
en áreas como el sector industrial, sector salud, negocios, seguridad y agricultura. [8]
El núcleo de estos sistemas debe comunicarse con los periféricos de entrada y salida
del sistema para llevar a cabo las tareas que el Sistema de Telemetría Apícola (SITAP)
debe realizar; y los sistemas embebidos son idóneos para realizar dicha labor. Los
sistemas embebidos son arquitecturas de espacio físico reducido que buscan integrar
todas las características de una computadora. Así mismo, estos sistemas cuentan con
su propio procesador y unidad de almacenamiento; sin embargo, en lugar de tener un
disco rígido, utilizan una memoria de datos SD (Secure Digital), como principal medio
de almacenamiento y de arranque. Gran variedad de aplicaciones en el área de
instrumentación y medicina se han desarrollado sobre este tipo de sistemas. [9]
DESCRIPCIÓN DE SITAP
La figura 1 presenta un esquema general de una colmena apícola con sus partes y un
esquema inicial de la ubicación de SITAP sobre ella.
5Fuente: Jiménez y Núñez, 1986.
Figura 1: Esquema general de la colmena y de SITAP.
SITAP es un sistema autónomo y una herramienta que permite a los apicultores
conocer el estado general de las colmenas sin importar su ubicación. SITAP informa el
estado de las variables físicas de entrada, así como eventos que perturban la
estabilidad de la colmena: ser golpeada o sacudida fuertemente, llegar al nivel crítico
de agua azucarada en el tanque de alimentación (alimentador) o aperturas no
programadas de la colmena.
SITAP comprende dos prototipos que fueron desarrollados de forma simultánea y bajo
la misma plataforma: SITAP1 encargado del sensado de las variables descritas
anteriormente y la interacción con el usuario en campo, mientras SITAP2 realiza la
comunicación a través de Internet. Por este motivo el segundo prototipo toma una
etapa de sensado inferior al primero y no interactúa con el usuario en campo; en lugar
de esto, automáticamente envía la información adquirida por medio de un correo
electrónico y un mensaje de texto periódicamente o ante un evento que perturbe las
actividades al interior de la colmena. En la figura 2 se ilustra el flujo de la información
dentro de cada uno de los prototipos, partiendo de las variables medidas, los sensores
6y el sistema embebido que realiza el procesamiento y registro de los datos, hasta al
usuario por medio de una pantalla de cristal líquido, un archivo de texto que es
transferido a una memoria USB o a través de Internet (correo electrónico/mensaje de
texto).
Figura 2: Diagrama de bloques de SITAP. Izquierda SITAP1. Derecha SITAP2
Durante el desarrollo de SITAP no se hizo uso de personas, animales u otro ser vivo.
Los equipos e instrumentos usados y desarrollados para SITAP no presentan
afectación sobre personas, animales o el medio ambiente que lo rodea.
SITAP con sus partes eléctricas y mecánicas se ha diseñado y está dispuesto en una
colmena apícola de forma tal que su construcción y ubicación no cause maltrato o
traumatismo alguno a ningún ser vivo. SITAP no afecta la salud, higiene o el bienestar
general de las abejas dentro del apiario, respetando los derechos de los animales.
ELEMENTOS DE SITAP
Las terminales ubicadas en la colmena usan el sistema embebido Chumby Hacker
Board (CHB), que permite conectar, programar y administrar los siguientes dispositivos:
módulo de adquisición de variables físicas y alarmas, pantalla de visualización,
adaptador para comunicación inalámbrica, según norma IEEE 802.11b, tarjeta de
conexiones para la adquisición de la información proveniente de los sensores y un
teclado numérico.
7La disposición de los sensores al interior de la colmena, para lograr adquirir la
información más relevante, se realizó bajo la asesoría del Grupo GAUN.
Para la adquisición de temperatura y humedad se eligió un sensor cuyo funcionamiento
está dentro los rangos requeridos de temperatura y humedad relativa (35 °C y 80%
respectivamente) que normalmente están presentes al interior de la colmena.
Para establecer la cantidad aproximada de abejas presentes en la colmena, fue
desarrollado e implementado un módulo de conteo de población basado en
observaciones realizadas por el grupo GAUN. Usualmente, los apicultores, modifican
las colmenas habilitando orificios que únicamente son usados por las abejas como
salida. Se instrumentaron dichos orificios de forma que las abejas que pasan por ellos
sean registradas.
Si el nivel del tanque de suministro con agua azucarada en la colmena se encuentra
bajo, el módulo ubicado dentro del tanque registrará lo ocurrido y enviará la información
al sistema embebido. El cambio en esta variable es usado como alarma obligando al
sistema a registrar el evento, enviar un correo electrónico y un mensaje de texto.
Para tener control de la apertura de la colmena, el sistema registra el momento en que
la tapa es retirada y cuando ésta se ubica nuevamente sobre la colmena. Esta variable
es también usada como alarma por el sistema.
8Si la colmena es golpeada o sacudida fuertemente, el sistema registra lo ocurrido, y un
LED dispuesto sobre la caja de mando, a modo de alarma, indica que ha ocurrido una
perturbación sobre la colmena.
Para la interfaz con el usuario, en el primer prototipo, se generó un menú que permite
visualizar la información registrada, descargar un archivo de texto plano con la
información de las lecturas realizadas, fecha y hora a una memoria USB, si se ha
conectado alguna, modificar la fecha y la hora y finalmente apagar el dispositivo de
forma segura. El menú se controla por medio de un teclado numérico de conexión USB.
El segundo prototipo de SITAP, realiza un reporte diario y entrega de los estados de las
alarmas a los apicultores, el sistema de monitoreo requiere una conexión a Internet.
Para proporcionar este servicio es utilizado un adaptador de conexión inalámbrica a
Internet. El adaptador de conexión inalámbrica cuenta con una antena de recepción de
alta potencia y alto alcance, la cual se ubica a 500 metros de distancia del apiario.
DISEÑO ESTRUCTURAL E IMPLEMENTACIÓN DE SITAP
A partir de los paneles usados tradicionalmente en la apicultura, donde las abejas
forman sus panales de cría y producción de miel, se diseñó un panel de forma que se
obtuviera la información requerida sin intervenir con el comportamiento habitual de la
población, la figura 3 muestra el diseño del panel de ubicación del sensor de
movimiento, humedad y temperatura así como su prototipo terminado. El diseño posee
espacio adicional si se requiere la adición de sensores en nuevas etapas de SITAP.
9Figura 3: Panel de ubicación de sensor de movimiento temperatura y humedad. Diseño preliminar
(izquierda) y prototipo elaborado. El panel cuenta con una malla usada usualmente en la apicultura, para
impedir que las abejas tengan contacto con los sensores o conexiones eléctricas y viceversa
La figura 4 presenta el diseño de la estructura que permite el conteo de las abejas sin
que interfiera con sus actividades cotidianas.
Figura 4: Diseño estructura sistema de conteo de población, vista anterior y posterior
El diseño estructural del sensor de nivel del tanque de alimentación, y su disposición
física final se presenta en la figura 5.
Figura 5: Sensor de nivel. Diseño preliminar (izquierda) y prototipo elaborado
10La figura 6 presenta el diseño de la ubicación general de los sensores en la colmena y
la disposición final dentro la colmena.
Figura 6: Disposición final de los sensores en la colmena. Diseño preliminar (izquierda) y prototipo.
PRUEBAS Y RESULTADOS
SITAP fue ensamblado y montado sobre una colmena apícola en laboratorio para
realizar pruebas, como se puede ver en la figura 6.
Para las pruebas de funcionamiento de SITAP, en laboratorio fueron establecidas
ciertas condiciones controladas con el fin de evaluar la efectividad del sistema. Las
condiciones de temperatura y humedad cerca de los sensores fueron modificadas, así
como el nivel del tanque. También fue simulado el ingreso y partida de abejas a través
de los orificios dispuestos en la estructura presentada en la figura 4. Dentro de las
pruebas realizadas, la colmena fue abierta, cerrada y “sacudida fuertemente”.
Tras realizar los procedimientos anteriores se verificó que el sistema hubiese registrado
todos los eventos, que la información fuese visualizada en la pantalla de cristal líquido y
que un correo y mensaje de texto hubiese sido enviado según las condiciones del
cuadro 1.
11Cuadro 1: Condiciones de envío del correo electrónico y de SMS de SITAP.
La visualización en campo tiene en cuenta la indumentaria usada por los apicultores,
dado lo anterior se seleccionó una pantalla con iluminación de fondo y de un tamaño
adecuado para su lectura en campo (4x20 caracteres). Sobre la CHB fue desarrollado
el driver de visualización para la pantalla, y para ésta un menú fácil de seguir por el
usuario usando el teclado numérico. Se observa en la figura 7 que el menú permite
realizar las tareas básicas de monitoreo del estado actual de la colmena, apagado
seguro, actualización de la fecha, descarga de la información adquirida, almacenada en
un archivo de texto plano (figura 8), en una memoria USB.
Figura 7: Presentación de la interfaz de usuario (izquierda) y de los datos adquiridos sobre una pantalla
de cristal líquido.
Figura 8: Muestra de los sensores sobre el archivo de texto plano.
Finalmente, la figura 9 presenta la caja de mando de SITAP, la cual es ubicada a un costado de
la colmena.
12Figura 9: Caja de mando SITAP.
En la figura 10, se observan los correos electrónicos generados, en la parte inferior se
puede observar el contenido de las alarmas y en la parte superior el reporte diario en
un archivo adjunto.
Figura 10: Reporte de SITAP en la bandeja de entrada de un correo electrónico de prueba
CONCLUSIONES
Los aportes realizados por SITAP apoyan la investigación apícola en Colombia e
impulsan el crecimiento económico en el sector agrícola del país.
SITAP, al ofrecer monitoreo de colmenas apícolas, facilita y optimiza el trabajo de los
pequeños y grandes apicultores en Colombia. Además de reducir la intervención del
13hombre sobre las colmenas, evitando daños en su población y optimizando la
producción.
La construcción y adecuación de SITAP es viable para el apicultor colombiano, al no
demandar mayores recursos humanos o económicos, presentar soluciones óptimas y
contribuye al desarrollo de la industria apícola en Colombia.
Las dos soluciones tecnológicas desarrolladas permiten al pequeño o gran apicultor
seleccionar el dispositivo que más se adapte a sus necesidades y condiciones de
trabajo, permitiendo monitorear las colmenas de forma eficiente.
Los sistemas desarrollados para la apicultura bajo plataformas tecnológicas embebidas
son herramientas eficaces y altamente robustas para realizar tareas específicas de
sensado de variables físicas y eventos que afectan las colmenas, manejo de
información y comunicación para sistemas de monitoreo en campo y remoto. Que
implican implementación de bajo costo.
El manejo de SITAP es semiautomático y amable con el usuario gracias a su sencilla e
intuitiva interfaz de manejo, que se adecua a las necesidades en campo.
La posibilidad de enviar paquetes de información de varios tipos desde las colmenas a
través de Internet, brinda modularidad y fácil evolución de SITAP.
REFERENCIAS
[1] Definición apicultura (en línea) <lema.rae.es/drae/?val=apicultura>, [citado el
4/Abril/2012]
[2] Laverde Rodríguez Jairo César, Agenda Prospectiva De Investigación Y Desarrollo
14Tecnológico Para La Cadena Productiva De Las Abejas Y La Apicultura En Colombia
Con Énfasis En Miel De Abejas, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colombia,
2010, pp. 15, 25
[3] Fuente de información XI ENCUENTRO COLOMBIANO DE APICULTURA I
SEMINARIO APICOLA DE LOS ANDES XIV JORNADA APICOLA UNIVERSITARIA.
[4] Estrés en las Abejas (en línea),
<http://www.beekeeping.com/articulos/estres_abejas.htm >, [citado el 4/Abril/2012]
[5] Alimentación de las Abejas (en línea),
http://www.infogranja.com.ar/alimentacion_de_la_abeja.htm>, [citado el 23/Mayo/2012]
[6] La Polinización (en línea), <http://www.abejas.org/polinizacion/la_polinizacion.htm>,
[citado el 4/Abril/2012]
[7] Aula Medioambiental del Real Jardín Botánico Juan Carlos I, Universidad de Alcalá,
Cuaderno didáctico de Medio Ambiente nº 25 (en línea),
<http://www.aulaapicolazuqueca.com/la_actividad_ap%C3%ADcola_a_lo_largo_.htm>,
[citadoel 23/Mayo/2012]
[8] J. Yick, B. Mukherjee, Wireless sensor network survey.Computer Networks2292,
2007.
[9] M. Colli, Unix. 1ra ed. Gradi S. A.: Argentina, 2009, pp. 283
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