Módulo de monitoreo apícola
Autor: Méndez Avila , Ángela Astrid
Asesor: Munévar Torres, Rosa Yolanda (Thesis advisor)
Fecha: 2012
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Este documento presenta el desarrollo de un módulo que sirve para supervisar el estado general dentro de una colmena artificial. Las variables físicas que afectan directamente la salud y la producción de la población fueron identificadas y los rangos óptimos de éstas para asegurar la estabilidad de las abejas. Este documento ilustra por qué los sensores seleccionados para realizar la lectura de dichas variables fueron elegidos, cómo la información es adquirida y procesada para ser presentado al usuario final. Finalmente, todos los elementes que conforman el módulo fueron probados exitosamente. Todos los eventos fueron registrados en un archivo de texto plano, transferidos a una memoria USB y expuestos sobre una pantalla de cristal líquido.

MÓDULO DE MONITOREO APÍCOLA
ÁNGELA ASTRID MÉNDEZ ÁVILA
CÓDIGO: 261010
OCTAVIO ALMARRI MÁRQUEZ REYES
CÓDIGO: 285289
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C., 2012MODULO DE MONITOREO APICOLA
ÁNGELA ASTRID MÉNDEZ ÁVILA
CÓDIGO: 26101
Trabajo de grado presentado para optar por el título de:
Ingeniera Electrónica
OCTAVIO ALMARRI MÁRQUEZ REYES
CÓDIGO: 285289
Trabajo de grado para optar por el título de:
Ingeniero Mecatrónico
Dirigido por:
Sebastian Eslava Garzón.
PHD. INGENIERO ELECTRICISTA
Giovanni A. Baquero Rozo
M.Sc. INGENIERO ELECTRONICO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C., 2012
23MODULO DE MONITOREO APICOLA
BEEKEEPING MONITORING MODULE
Resumen: Este documento presenta el desarrollo de un módulo que sirve para
supervisar el estado general dentro de una colmena artificial. Las variables físicas que
afectan directamente la salud y la producción de la población fueron identificadas y los
rangos óptimos de éstas para asegurar la estabilidad de las abejas. Este documento
ilustra por qué los sensores seleccionados para realizar la lectura de dichas variables
fueron elegidos, cómo la información es adquirida y procesada para ser presentado al
usuario final. Finalmente, todos los elementes que conforman el módulo fueron
probados exitosamente. Todos los eventos fueron registrados en un archivo de texto
plano, transferidos a una memoria USB y expuestos sobre una pantalla de cristal
líquido.
Abstract: This document presents the development of a module to monitor the general
state inside of an artificial beehive. The physical variables that directly affect the health
and production of the population were identified with its optimal ranges to stand surety
for the stability of the bees. This document illustrates why the selected sensors to read
these variables were chosen, how the information is acquired and how it is processed to
be presented to the final user. Finally, all the elements of the module were successfully
tested. All the events were registered in a text file, transferred to a pen drive and
displayed over a liquid crystal display (LCD).
Palabras claves- Colmena, sistema embebido, kernel, driver, sensor, dispositivo de
almacenamiento, instrumentación.
Keywords— Beehive, embedded system, kernel, driver, sensor, storage device,
instrumentation, measurement
Firma Directores
_____________________________ _____________________________
Ángela Astrid Méndez Ávila – 1987
Octavio Almarri Márquez Reyes - 1985
4A mis padres, mi hermano y amigos por su
incondicional apoyo en mi paso por la
Universidad.
Ángela Astrid Méndez Ávila
56Contenido
1. INTRODUCCIÓN -------------------------------------------------------------------------------------------------- 13
2. MARCO TEÓRICO ------------------------------------------------------------------------------------------------ 18
2.1 LA COLMENA ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
Tipos de colmenas------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18
Los habitantes y sus tareas ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19
2.2 VARIABLES DE INTERÉS EN UN APIARIO -------------------------------------------------------------------------- 21
Temperatura y humedad --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
Densidad poblacional de una colmena --------------------------------------------------------------------------------------------- 23
Alimentación artificial ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23
Seguridad y manejo de la colmena -------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
2.3 SISTEMAS EMBEBIDOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 25
3. ARQUITECTURA -------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
3.1 ELEMENTOS MÓDULO DE MONITOREO APÍCOLA -------------------------------------------------------------- 27
3.2 SELECCIÓN DE SENSORES --------------------------------------------------------------------------------------------- 27
Temperatura y humedad --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
Densidad poblacional de una colmena --------------------------------------------------------------------------------------------- 32
Alimentación artificial ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
Control sobre la manipulación de la colmena ------------------------------------------------------------------------------------ 36
Caracterización de sensores ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
3.3 SISTEMA EMBEBIDO, CHUMBY HACKER BOARD (CHB) ------------------------------------------------------- 40
Tarjeta y sus Periféricos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40
Cable FTDI ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41
Minicom ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
Comunicación PC-CHB ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 44
“Hola Mundo” con la CHB -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 49
3. 4 CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS (DRIVERS) --------------------------------------------------------------- 50
Sensores ON-OFF ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 50
Sensor de temperatura y humedad (SHT15) -------------------------------------------------------------------------------------- 52
Conteo de Población --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 53
LCD, Liquid Cristal Display -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 55
Teclado -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 55
Pruebas preliminares -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56
3.5 DISEÑO CAD -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
3.6 MECANIZADO Y ENSAMBLE ------------------------------------------------------------------------------------------ 63
Medición de nivel del tanque de alimentación ----------------------------------------------------------------------------------- 66
Panel ubicación sensor de movimiento, temperatura y humedad ---------------------------------------------------------- 67
Módulo de conteo de población ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 68
3.7 ELABORACIÓN DE TARJETAS DE CONEXIÓN --------------------------------------------------------------------- 69
Tarjeta de conexiones principal ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 70
Tarjeta de conexiones para el conteo de población.---------------------------------------------------------------------------- 72
74. INTEGRACIÓN ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 75
Módulo detección de nivel mínimo ------------------------------------------------------------------------------------------------- 76
Panel ubicación sensor de movimiento, temperatura y humedad ---------------------------------------------------------- 77
Módulo de conteo de población ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 78
Sensor de Apertura ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 79
Caja de Mando ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 80
4.2 ARQUITECTURA SOFTWARE ------------------------------------------------------------------------------------------ 81
Generación de archivo y escritura --------------------------------------------------------------------------------------------------- 81
Descarga de archivos en Memoria USB -------------------------------------------------------------------------------------------- 82
Visualización ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 82
Main ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 84
5. PRUEBAS Y RESULTADOS -------------------------------------------------------------------------------------- 85
6. RECOMENDACIONES PARA FUTUROS DESARROLLOS -------------------------------------------------- 89
7. ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 90
ANEXO A ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 91
ANEXO B -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
ANEXO C ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 14
8. Referencias Bibliográficas ------------------------------------------------------------------------------------- 19
8Lista de Figuras
Fig. 1 Producción académica en Colombia relacionada con el sector apícola. Laverde, J. (2010). Agenda Prospectiva
De Investigación Y Desarrollo Tecnológico Para La Cadena Productiva De Las Abejas Y La Apicultura En Colombia
Con Énfasis En Miel De Abejas. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
Fig. 2 Interfaz para dispositivos móviles. Recuperado de http://www.arnia.co.uk/press_release.asp ------------------- 15
Fig. 3 Colmena fijista o de corcho. Colmenas Antiguas. (2008). Recuperado de
http://www.mieldemalaga.com/colmenas/antiguas.html --------------------------------------------------------------------------- 18
Fig. 4 Partes de una colmena movilista. Henríquez, F. (1989). Manual Práctico de Apicultura para las Islas Canarias,
consejería de Agricultura y Pesca. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
Fig. 5 Habitantes de la colmena. La vida sobre las abejas. (2011). Recuperado de
http://chicapurpurina.blogspot.com/2011/06/la-vida-sobre-las-abejas.html -------------------------------------------------- 21
Fig. 6 Temperaturas en el interior y exterior de una colmena. Pierre, J. (2007). Apicultura. Conocimiento de la abeja
y manejo de la colmena. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22
Fig. 7 Tanque alimentador. Alimentadores de plástico internos. (2012). Recuperado de
http://apicultura.wikia.com/wiki/Alimentadores_de_pl%C3%A1stico_internos ----------------------------------------------- 24
Fig. 8 Alimentador Boardman ubicado en una colmena. (2008). Alimentação das Abelhas. Recuperado de
http://criacaodeanimais.blogspot.com/2008/11/alimentao.html ----------------------------------------------------------------- 24
Fig 9 Elementos Módulo de Monitoreo Apícola------------------------------------------------------------------------------------------ 27
Fig. 10 Precisión de los sensores de temperatura y humedad de la serie SHTXX. ----------------------------------------------- 31
Fig. 11 Tarjeta para el sensor de temperatura y humedad SHT15. Imagen original tomada de la hoja del datos
sensor de temperatura y humedad SHT1x. (2011). ------------------------------------------------------------------------------------- 31
Fig 12 Colmena con las salidas modificadas ---------------------------------------------------------------------------------------------- 32
Fig. 13 Modo de detección haz transmitido. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y
automatización del transferidor de mantos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 33
Fig. 14 Modo de detección reflectivo. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y
automatización del transferidor de mantos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 34
Fig. 15 Modo de detección difuso. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y
automatización del transferidor de mantos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 34
Fig. 16 Espectros de visión humana y de la abeja imagen tomada de <
http://tiemposidereo.blogspot.com/2011/03/sobre-como-ven-las-abejas-el-universo.html> ----------------------------- 34
Fig. 17 (a) Boya, (b) Interruptor final de carrera----------------------------------------------------------------------------------------- 36
Fig 18 Interruptor. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
Fig. 19 Esquema eléctrico detectores magnéticos -------------------------------------------------------------------------------------- 37
Fig. 20 Sensor magnético ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38
Fig. 21 Esquema Funcionamiento Interruptor de Mercurio. (Imagen tomada de
http://www.gdescalzo.com.ar/timer.htm) ----------------------------------------------------------------------------------------------- 38
Fig. 22 Interruptor de mercurio -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
Fig. 23 Interruptor de mercurio con cubierta protectora ------------------------------------------------------------------------------ 39
Fig 24 Circuito sensor infrarrojo-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
Fig 25 Sistema embebido Chumby Hacker Board. (2012). Recuperado de http://proto-pic.co.uk/chumby-hacker-
board/. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41
Fig. 26 Conexión serial CHB imagen original de http://guy.carpenter.id.au/chumby-oe/blog/2012/03/20/chumby-
hacker-board-illustrated/ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
Fig 27 Configuración conexión cable FTDI-CHB ------------------------------------------------------------------------------------------ 42
Fig 28 Configuración Minicom ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
Fig 29 Configuración puerto serie ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44
Fig. 30 Inicio de sesión en la CHB ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 45
Fig 31 Listado de archivos y directorios contenidos en la raíz del sistema ------------------------------------------------------- 45
9Fig 32 Listado protocolos de transmisión de archivos---------------------------------------------------------------------------------- 46
Fig 33 Selección del archivo a cargar ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 47
Fig 34 Ingreso de la ruta ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 47
Fig 35 Error en la transmisión ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 47
Fig 36 Error en la transmisión ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 48
Fig 37 Transferencia completa del archivo ------------------------------------------------------------------------------------------------ 48
Fig 38 Ubicación del archivo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 48
Fig 39 Código “Hola Mundo” ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 49
Fig 40 Circuito de conexión maestro-esclavo, sensor SHT15. Hoja de datos sensor de temperatura y humedad SHT1x.
(2011) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 52
Fig 41 Esquematico circuito monoestable ------------------------------------------------------------------------------------------------- 57
Fig 42 Prueba preliminar visualización (Muestra de algunos sensores). ---------------------------------------------------------- 58
Fig 43 Diseño CAD armazón boya acero inoxidable. ----------------------------------------------------------------------------------- 59
Fig 44 Armazón e interrupto para sensado de nivel, vista isométrico. ------------------------------------------------------------ 60
Fig 45 Módulo de sensado de nivel mínimo. Vista lateral (izquierda) y vista en isométrico (derecha). ------------------- 60
Fig 46 Panel de ubicación sensores de movimiento, temperatura y humedad. ------------------------------------------------- 61
Fig 47 Pared posterior armazón para sensores de conteo de población. --------------------------------------------------------- 61
Fig 48 Pared posterior y ductos de acceso armazón para sensores de conteo de población. ------------------------------- 62
Fig 49 Módulo conteo de población. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62
Fig 50 Módulo muestreo de conteo, a) vista sin marco, se observa la ubicación dispuesta para los fotodiodos. d)
vista posterior, se muestra que los tubos sobresalen para encajar en la colmena y servir a su vez de soporte para el
módulo. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
Fig 51 Pieza panel -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 64
Fig 52 Pieza panel -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 64
Fig 53 Estructura panel ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 64
Fig 54 Piezas modulo conteo de población ----------------------------------------------------------------------------------------------- 65
Fig 55 Ducto de acceso ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
Fig 56 Ducto de acceso, vista superior ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
Fig 57 Acople interruptor ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66
Fig 58 Armazón interruptor ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66
Fig 59 Acople boya-armazón------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 66
Fig 60 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 67
Fig 61 Mecanizado------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68
Fig 62 Panel ubicación de sensores --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68
Fig 63 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 69
Fig 64 Armazón módulo conteo de población -------------------------------------------------------------------------------------------- 69
Fig 65 Esquemático tarjeta de conexiones principal ------------------------------------------------------------------------------------ 70
Fig 66 PCB tarjeta de conexiones principal ------------------------------------------------------------------------------------------------ 71
Fig 67 Vista preliminar tarjeta de conexiones principal ------------------------------------------------------------------------------- 71
Fig 68 Tarjeta de conexiones principal ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 72
Fig 69 PCB tarjeta de conexiones conteo de población -------------------------------------------------------------------------------- 72
Fig 70 Vista preliminar tarjeta de conexiones conteo de población ---------------------------------------------------------------- 73
Fig 71 PCB tarjeta de conexiones conteo de población con la CHB ----------------------------------------------------------------- 73
Fig 72 Vista preliminar tarjeta de conexiones conteo de población con la CHB ------------------------------------------------- 74
Fig 73 Tarjeta de conexiones conteo de población con la CHB ---------------------------------------------------------------------- 74
Fig 74 Tarjeta de conexiones conteo de población -------------------------------------------------------------------------------------- 74
Fig 75 Disposición de las tarjetas de conexión en el módulo de conteo de población. ---------------------------------------- 75
Fig 76 Modelo CAD módulo de detección nivel minimo ------------------------------------------------------------------------------- 76
Fig 77 Disposición en la colmen del módulo de detección nivel minimo ---------------------------------------------------------- 76
Fig 78 Diseño CAD panel de ubicación de sensores en la colmena ----------------------------------------------------------------- 77
10Fig 79 Vista isométrica modelo CAD colmena con módulos de sensado. --------------------------------------------------------- 77
Fig 80 Colmena con módulos de sensado incorporados. ------------------------------------------------------------------------------ 78
Fig 81 Diseño CAD para la ubicación del módulo de conteo de población -------------------------------------------------------- 78
Fig 82 Módulo conteo de población--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 79
Fig 83 Conexión sensor de apertura. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 79
Fig 84 Sensor de apertura dispuesto en la colemna. ----------------------------------------------------------------------------------- 80
Fig 85 Interior de la caja de mando --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 80
Fig 86 Caja de mando --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 81
Fig 87 Pantalla incial del menú --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 83
Fig 88 Continuación menú --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 83
Fig 89 Pantalla que registra el estado de la colmena ---------------------------------------------------------------------------------- 83
Fig 90 Pantalla para el apagado del sistema. -------------------------------------------------------------------------------------------- 84
Fig 91 Estructura Main del Módulo de Monitoreo Apícola --------------------------------------------------------------------------- 84
Fig 92 Pruebas del módulo de monitoreo apícola. Sensor de movimiento activo ---------------------------------------------- 85
Fig 93 Archivo generado por el Módulo de Monitoreo Apícola ---------------------------------------------------------------------- 87
Fig 95 Módulo de Monitoreo Apícola ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 88
Fig 96 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15
11Lista de Tablas
Tabla 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
Tabla 2 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
Tabla 3 Lista de comandos de los sensores SHT1x -------------------------------------------------------------------------------------- 53
Tabla 4 Pruebas preliminares sensor temepratura y humedad SHT15 ------------------------------------------------------------ 58
121. INTRODUCCIÓN
La apicultura es el arte de criar abejas para aprovechar sus productos [1]. Las abejas
representan un importante eslabón en la naturaleza y, como agentes polinizadores1,
permiten la reproducción de gran número de especies vegetales y el aumento del
volumen de producción y calidad de algunos frutos. Además, ofrecen productos
benéficos para el ser humano como son miel, polen, cera, propóleos, jalea real y la
apitoxina, caracterizados por su alto valor nutricional.
Al tomar como referencia el año 2007, el 50% de la producción mundial de miel se
concentró en siete países liderados por China con 303.220 toneladas (22%). En
Latinoamérica, en el ámbito productivo de la miel de abejas sobresalen tres países:
Argentina, que ocupa el segundo puesto a nivel mundial; México el sexto y Brasil el
undécimo. Mientras tanto, Colombia ocupa el puesto 70 en la producción mundial de
miel de abejas, según datos de la FAO (Food and Agriculture Organization por sus
siglas en Inglés) [2].
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. Cerca del 100% de las colmenas del país son
del tipo Langstroth, y menos de la mitad de los apicultores lleva algún tipo de registro
del estado de las colmenas y su producción. [3]
El crecimiento del sector apícola está ligado a la tecnología existente o en proceso de
investigación disponible en el país. Para ampliar las ventajas del 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.
El Ministerio de Agricultura de Colombia, mediante el desarrollo de sus políticas para el
sector, desea formular un punto de partida para que la Universidad Colombiana,
apicultores independientes y asociados en pequeñas cooperativas como también los
sectores estatales promuevan actitudes de reconocimiento que conlleven al
mejoramiento productivo de este renglón de la economía medianamente explotado
hasta ahora y la calidad de este importante producto de la campiña. Actualmente,
muchos trabajos en la apicultura se han orientado en el cuidado de las colmenas y su
correcto mantenimiento, estos documentos (como ActuApi [4]) pretenden enseñar la
importancia al apicultor de preservar niveles adecuados de CO , agua y especialmente
2
conservar una temperatura apta para la vida de las abejas dentro de la colmena. Sin
1 Polinización: Paso o tránsito del polen desde el estambre en que se ha producido hasta el pistilo en que ha de
germinar
13embargo, el cómo medir estas variable de forma cercana a su valor real, para un control
más adecuado, no entra en los alcances de estas publicaciones.
El desarrollo investigativo y la generación de conocimiento a través de los años en la
CPAA (Cadena Productiva de las Abejas y la Apicultura en Colombia) se caracteriza por
una dinámica de producción académica constante en los últimos treinta años. En los
años ochenta se publicaron 42 trabajos científicos, y en los años noventa este número
fue de 43. Este incremento en el período 2000 - 2008 se explica por la mayor
contribución de tesis y trabajos de grado en un 100% con respecto a décadas
anteriores. En la figura 1, se observa la dinámica de dicha producción académica y
científica. [5]
Fig. 1 Producción académica en Colombia relacionada con el sector apícola. Laverde, J. (2010). Agenda Prospectiva De
Investigación Y Desarrollo Tecnológico Para La Cadena Productiva De Las Abejas Y La Apicultura En Colombia Con Énfasis En
Miel De Abejas.
En la actualidad en Colombia la Universidad de Antioquia, la Universidad de Tolima y la
Universidad Nacional de Colombia, realizan investigaciones en el área apícola. En la
Universidad Nacional de Colombia el Grupo de Apicultura (GAUN), busca contribuir al
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.
La apicultura es una de las más antiguas formas de agricultura, ésta requiere de un
adecuado control y monitoreo de las abejas y del estado de su colmena, así como de la
producción de la miel para garantizar su calidad. El adecuado monitoreo de un panal
debe tener en cuenta ciertas condiciones y variables físicas al interior de la colmena.
14Desde mediados del siglo XX se han desarrollado trabajos destinados al monitoreo del
estado de las colmenas y el comportamiento de las abejas. En la década de 1950 el
apicultor e ingeniero Eddie Woods notó que las variaciones en el sonido de una colonia
de abejas podía ser usado para monitorear su comportamiento y condición, así creó un
dispositivo para analizar los sonidos producidos por las abejas en la colmena. De sus
estudios fue posible concluir que más del 90% de las inspecciones realizadas por los
apicultores no eran necesarias. Apidictor, como se llama el dispositivo, detectaba
cuando las colmenas necesitaban ayuda por enfermedad o agotamiento de las
reservas. El dispositivo, para ser instalado, tenía que perturbar la actividad de la
colmena mientras se insertaba el micrófono que permitía escuchar los zumbidos.
La Universidad de Montana en los estados Unidos, realizó en 2002 investigaciones para
el análisis del sonido con redes neuronales para detectar cuando las abejas han estado
en contacto con toxinas. Esto permite, a través del entrenamiento de abejas, la
detección de minas terrestres
En el 2009 el ingeniero Huw Evans, desarrolló un dispositivo de monitoreo que permite
escuchar todo el sonido dentro de la colmena y registrar datos de temperatura, llamado
Arnia, esta información es enviada a una unidad separada que controla la información
de varios monitores.
La unidad maestra envía la información que ha recibido de todos los otros monitores,
además de información acumulada sobre lluvia y temperatura ambiental, a un servidor a
través de la red móvil.
El proyecto busca apoyar la investigación de problemas que afectan a las abejas al
indicar lo que ocurre en una colmena antes de que sea aquejada por algún mal. En la
actualidad estos dispositivos están en unas 100 colmenas en Escocia, apoyados por la
Asociación de Apicultores de Escocia. También trabajan en una interfaz web sencilla
que permita a los usuarios conectarse de forma remota y controlar sus colonias
teniendo a la mano informes y alertas a través de correos electrónicos o mensajes de
texto, figuras 2. [6]
Fig. 2 Interfaz para dispositivos móviles. Recuperado de http://www.arnia.co.uk/press_release.asp
15Además, en el mercado existen sistemas anti-hurto que detectan la proximidad de un
cuerpo a la colmena así como el movimiento de ésta, algunos de estos sistemas usan
el protocolo ZigBee.
El objetivo principal del presente proyecto es el diseño e implementación de un sistema
de monitoreo de variables físicas dentro de una colmena para su uso en apicultura. Los
objetivos específicos que se alcanzaron se enuncian a continuación.
• Identificar las variables críticas y sus rangos óptimos de acuerdo con los
requerimientos establecidos para la apicultura.
• Determinar y escoger los sensores adecuados para cada variable a medir de
acuerdo a los requerimientos del sistema y el proceso de producción apícola.
• Desarrollar un sistema de memoria y registro de los datos adquiridos en la etapa
de sensado.
• Implementar un sistema de visualización en una pantalla de cristal líquido, que
permita la visualización en campo de los datos medidos dentro de la colmena en tiempo
real.
• Diseño CAD e implementación de los armazones para la ubicación de los
sensores dentro de la colmena.
Se desarrolló un sistema capaz de mejorar las prácticas en la industria apícola y con
bajo impacto en los habitantes de las colmenas.
Debido a los tiempos para el desarrollo del proyecto, no fue posible llevar a cabo
pruebas de campo en el Centro Agropecuario Marengo de la Universidad Nacional,
teniendo en cuenta las pruebas de laboratorio aún es posible mejorar el módulo
desarrollado. Adicionalmente durante el desarrollo del proyecto la gestión de los
recursos económicos afectaba el cronograma planteado.
Para alcanzar los objetivos planteados, se siguió la metodología siguiente:
Documentación y selección de sensores: Se hizo una revisión al estado del arte en los
sistemas y métodos de seguridad usados en los apiarios, y de las variables físicas más
relevantes que pueden afectar el bienestar de las abejas y por ende la producción de
miel, propóleos, etc.
Se revisaron diversos métodos y tecnologías de medición, procesamiento y
almacenamiento para la selección de los sensores y demás elementos que componen
el sistema. Se identificó el estado del arte de metodologías de diseño, tanto en etapas
de medición y acondicionamiento, como de registro de datos en memoria portable, para
la selección en cada una de las etapas.
16Diseño y verificación del sistema: Una vez seleccionados los sensores a usar dentro de
la colmena y de la plataforma que sirvió cómo núcleo de procesamiento, se
desarrollaron los controladores de cada periférico y se probó su funcionamiento de
forma individual.
Para la colmena fueron diseñado y posteriormente construidos armazones para la
ubicación de los sensores utilizados en el módulo.
Se desarrolló una tarjeta impresa auxiliar para facilitar la conexión entre los periféricos y
la unidad de procesamiento central (sistema embebido).
Los sensores y demás periféricos se dispusieron dentro de los armazones en su
ubicación final y se realizó la prueba del sistema completo.
Verificación del prototipo: Se elaboraron pruebas en laboratorio para verificar el correcto
funcionamiento del módulo.
Se realizó una interfaz de usuario que permite al apicultor hacer uso del módulo de
forma intuitiva.
Este documento presenta el desarrollo e implementación de un sistema de lectura,
registro y visualización de variables físicas y eventos que afectan la salud y la
productividad de la población de una colmena.
172. MARCO TEÓRICO
2.1 LA COLMENA
Una colmena es un espacio construido o dispuesto como albergue del enjambre de
abejas. Son viviendas artificiales que pueden ser elaboradas con paja trenzada,
madera, corcho o cerámica, aunque actualmente predominan las colmenas construidas
a base de plástico.
Las colmenas tienen tres partes:
 Base o fondo: Es la parte baja de la colmena en la que se sitúa la piquera2 y el
tablero de vuelo.
 Cámara de cría: Cajón donde se ubican los cuadros, se coloca la reina y los
estados inmaduros (huevo, larva y pupa).
 Entre-tapa y tapa: Techo que cierra la colmena.
Tipos de colmenas
Entre los tipos de colmenas esta la fijistas o corchos donde los panales son
elaborados por las abejas dentro de la colmena y adheridos a las paredes de la
colmena, figura 3. No son empleadas en la actualidad, pues no es posible realizar
inspecciones a la colonia para evaluar su estado sanitario y la extracción de miel se
deben cortar los paneles generando estrés en la población.
Fig. 3 Colmena fijista o de corcho. Colmenas Antiguas. (2008). Recuperado de
http://www.mieldemalaga.com/colmenas/antiguas.html
Las colmenas movilistas (figura 4) presentan cuadros móviles de madera, en el
interior de la colmena, sobre los que se sitúan los panales. Sobre ellos se coloca una
2 Piquera: Agujero o puerta pequeña que se hace en las colmenas para que las abejas puedan entrar y salir.
18capa de cera estampada (lámina de cera). Las abejas construyen el panal, estirándola y
añadiendo más cera. Dentro de las colmenas movilistas existe gran variedad de tipos,
los más frecuentes son:
Fig. 4 Partes de una colmena movilista. Henríquez, F. (1989). Manual Práctico de Apicultura para las Islas Canarias, consejería
de Agricultura y Pesca.
 Colmenas Layens o también conocidas como colmenas de crecimiento
horizontal porque a medida que aumenta la población de la colonia, la miel
aumenta y ocupa el cajón completamente de forma horizontal.
 Colmena Langstroth son las más utilizadas por los apicultores; estas colmenas
son de crecimiento vertical. Los cuadros pueden ser intercambiados entre los
distintos cuerpos de la colmena, son poco profundos minimizando el riesgo de
matar las abejas al posicionarlos al interior de la colmena.[7] y [8]
Los habitantes y sus tareas
Las abejas son “insectos sociales”, es decir, viven formando colonias que pueden estar
constituidas por alrededor de 40.000 individuos y que se reparten de forma muy
ordenada la comida y el trabajo.
En cada colonia hay tres tipos de individuos: reina, abejas obreras y zánganos.
La reina: Es el personaje central de la colonia, la única hembra perfecta y
fecunda. Se distingue del resto por su longitud (ver figura 5), que es de 16 milímetros, y
19por las alas, que son muy cortas en relación al cuerpo. Posee aguijón, pero sólo lo
utiliza para luchar contra otras reinas.
La celdilla en la que se desarrolla es mayor que las demás y tiene forma de bellota o de
cacahuete. Al nacer, destruye el resto de larvas reales. Si nacen varias reinas al mismo
tiempo, se produce un combate a muerte en el que la reina triunfadora se convierte en
máxima autoridad de la colonia.
La fecundación se produce fuera de la colmena, en el llamado “vuelo nupcial”, en el que
un grupo de zánganos sale tras ella, siendo fecundada por el más fuerte y veloz.
Después del apareamiento regresa a la colmena, posiblemente para no volver a salir,
llevando en la extremidad de su abdomen parte de los órganos genitales del zángano
que la fecundó y con su espermateca (bolsa de semen) llena, conteniendo de 8 a 12
millones de espermatozoides. A partir de ese momento, la reina inicia su misión: poner
un huevo al minuto, alrededor de 3.000 diarios, y mantener unidos al resto de miembros
de la colmena. Para ello segrega una sustancia que recibe el nombre de “feromona”,
que se expande por toda la colmena. De esta forma, además, se frena la construcción
de celdas reales y se impide el desarrollo de los ovarios de las abejas obreras.
Cuando la reina decae en su puesta o no segrega suficiente feromona, las abejas
construyen realeras y depositan en ellas jalea real para obtener una nueva madre.
La reina vive unos cinco años y continuamente es rodeada por su corte de abejas y
alimentada siempre con jalea real. 3
Las abejas obreras: Se desarrollan en celdas normales y forman la población
más numerosa. Cumplen muchas funciones dependiendo de su edad. Al nacer trabajan
de limpiadoras, retirando de las celdillas los residuos. Al cuarto día se convierten en
nodrizas y alimentan a las larvas y dan calor al nido de cría. A partir del décimo día
atienden a la reina como damas de honor. Posteriormente actúan como ventiladoras,
segregan cera, fabrican miel, retiran los cuerpos extraños y velan por la seguridad de la
colmena. Finalmente, a los veinte días y hasta su muerte, salen al campo en busca de
néctar, polen, propóleos y agua. Suelen moverse en un radio de acción de 3 kilómetros,
llevando a cabo unos 40 vuelos diarios y visitando unas 400 flores de la misma especie.
Al regresar reconocen su colmena por el color, su forma y su posición. Entre ellas se
distinguen por el olor, pues cada colonia tiene el suyo característico.
La vida de las abejas es muy corta: las que nacen en primavera mueren a los 40 ó 50
días; por el contrario, las que nacen en otoño viven unos cinco meses, hasta que
enlazan con sus nuevas compañeras, en la primavera siguiente. Su principal alimento
es la miel.
Los zánganos: Nacen de un huevo no fecundado. Cumplen una doble función:
fecundar a la reina y proporcionar calor al nido de cría.
Algunos dicen que también llevan agua, pero no es cierto. Su vida es efímera, de dos a
tres meses, dependiendo de que haya néctar suficiente o reinas vírgenes. Si no es así,
son expulsados de la colmena y exterminados. Y ellos no pueden hacer nada para
defenderse, salvo huir, porque carecen de aguijón. [9]
3 Herrero García Félix, Lo Que Debe Saber Sobre: Las Abejas y La Miel, 1ra ed., Caja España, 2004.
20Fig. 5 Habitantes de la colmena. La vida sobre las abejas. (2011). Recuperado de
http://chicapurpurina.blogspot.com/2011/06/la-vida-sobre-las-abejas.html
2.2 VARIABLES DE INTERÉS EN UN APIARIO
Temperatura y humedad
El conjunto de las condiciones físicas que reinan en una colmena no es uniforme. La
piquera, los panales, la miel, la cría, las abejas en movimiento o en reposo, la
irradiación, las corrientes de convección, la difusión, la evaporación del agua, del néctar
y su condensación, dan a cada punto de la colmena su microclima, ver figura 6.
Además, las variaciones diarias y estacionales del clima exterior perturban en todo
momento el equilibrio que tiende a establecerse entre el interior de la colonia y su
entorno inmediato.
El apicultor también perturba el clima de la colmena: ahúma, abre, saca los cuadros, los
expone al exterior, etc. Las abejas reaccionan a todas estas manipulaciones y sus
agresiones. Intentan restablecer el clima ideal para ellas y a menudo con este fin
consumen miel que el apicultor no recogerá. [10]
21Fig. 6 Temperaturas en el interior y exterior de una colmena. Pierre, J. (2007). Apicultura. Conocimiento de la abeja y manejo
de la colmena.
Los nidos de cría de las colonias deben mantenerse a una temperatura constante que
debe mantenerse dentro del rango de 34º a 36º C. Las abejas tienen termo-receptores
en sus antenas que captan los cambios de temperatura en el ambiente y les permiten
adaptarse. En este caso, cuando la temperatura de la colmena supera los 35º C las
abejas presentan un comportamiento particular, sacudiendo sus alas para disminuir la
temperatura y refrescarse. No todas las abejas participan de este movimiento.
Si la temperatura sigue aumentando, un grupo de abejas sale de la colmena y se coloca
por debajo para refrescarse en la sombra. Si la temperatura no disminuye, salen más
abejas y comienzan a ventilar desde fuera a toda la colmena. Por encima de los 45 °C
las abejas comienzan a “freírse” por dentro, debido a que sus proteínas se coagulan y
pierden sus funciones [11]. Esta situación provoca además que las abejas defensoras o
sanitarias, al tener que colaborar con la ventilación, abandonen sus tareas habituales,
dejando a la colonia expuesta al acoso de parásitos, bacterias, hongos o virus.
El frío minimiza su actividad hasta provocar la muerte. Algunas razas suspenden la
puesta, ya que las crías requieren de una temperatura mayor y de un ambiente más
húmedo (humedad relativa del 80%), las abejas cuando perciben el descenso de
temperatura (de 14-12º C) se agrupan en racimos, con la reina en el centro, formando
un “bolo invernal” que se irá compactando a medida que ésta siga descendiendo. Si a
pesar del gran esfuerzo desplegado por la colonia no se logra incrementar la
temperatura, la cría muere deshidratada, la reina corta la puesta, se derriten los panales
y se paraliza la colonia.
Si la colmena está en la sombra en lugares de poca ventilación y alta concentración de
humedad la combinación es explosiva, derivando en una permanente situación de
estrés de la colonia y un ambiente muy favorable para el desarrollo de algunas
enfermedades como la ascoferosis (micosis producida por Ascosphaera apis),
nosemosis (parasitosis causada por Nosema apis) o loque europea (enfermedad
bacteriana por Melissococcus Plutón). [12]
22Densidad poblacional de una colmena
En una colonia de medianas dimensiones viven unos 40.000 individuos, de los cuales
más de la mitad salen diariamente a recolectar polen y néctar. 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.
Alimentación artificial
Este tipo de alimentación debe ser considerada un mal necesario y evitado siempre que
se pueda. La alimentación suplementaria se requiere cuando:
• No hay suficientes reservas de invierno.
• Mal tiempo que impide la pecorea durante el flujo de néctar.
• Enjambre o núcleos recién establecidos que necesitan reservas para construir
panales y cuidar la cría.
• Manipulaciones como unión de colmenas y cría de reinas. Las abejas se vuelven
más tolerantes cuando son alimentadas o hay flujo de néctar en el campo.
• Estimular la puesta de la reina para incrementar la población de abejas antes del
flujo principal de néctar.
La mejor forma de alimentar es con miel, poniendo cuadros operculados, pero es muy
cara y como sustitutivo se utiliza el jarabe de azúcar, que consiste en una solución de
azúcar y agua, en distintas proporciones, según la época y finalidad.
Para llevar a cabo la alimentación, se hace uso de los alimentadores. Estos pueden ser
de diferentes tipos:
• Cuadro Alimentador Es un alimentador ubicado en la parte interna de la
colmena, que ocupa el espacio de un cuadro y debe ser ubicado en los extremos
de la colmena (figura 7). El interior de este cuadro se caracteriza por ser rugoso
lo cual evita que se ahoguen las abejas. Tienen una capacidad de
almacenamiento aproximada de 2 litros.
23Fig. 7 Tanque alimentador. Alimentadores de plástico internos. (2012). Recuperado de
http://apicultura.wikia.com/wiki/Alimentadores_de_pl%C3%A1stico_internos
• Alimentador Boardman Es un alimentador “externo”, consta de un bloque de
madera que se inserta en la piquera, en el que encaja un tarro en posición
invertida con la caja agujereada. Ver figura 8.
Fig. 8 Alimentador Boardman ubicado en una colmena. (2008). Alimentação das Abelhas. Recuperado de
http://criacaodeanimais.blogspot.com/2008/11/alimentao.html
• Bolsa de Plástico Esta es llenada de jarabe hasta la mitad, se le realizan
perforaciones, por ejemplo, con un alfiler para salgan unas gotas de líquido y
atraigan a las abejas.
Todos los alimentadores deben hacer un tratamiento de protección ya sea parafinado o
por medio de pintura.
Seguridad y manejo de la colmena
La apertura de las colmenas presenta una fuente de estrés para las abejas, lo cual
afecta directamente la producción de éstas. Por lo anterior los apicultores evitan en lo
24posible la apertura de la colonia para no perturbar a sus habitantes. El cuándo, el por
qué y durante cuanto se abre una colmena es de gran importancia para llevar un control
adecuado de las granjas apícolas y su producción. Ya que esto sólo se hace para
realizar monitoreo de rutina.
Existen tres peligros distintos de una exposición prolongada:
• Enfriamiento de la cría.
• Desorganización de la colonia
• Pillaje
Los dos últimos peligros indican al apicultor que ha tenido abierta la colmena por
periodos prolongados. El enfriamiento de la cría pasará desapercibido en un primer
momento. Se apreciará en días sucesivos al aparecer muertas larvas y ninfas4.5
Una colmena en producción genera beneficios a los apicultores, la posibilidad de perder
una colonia en producción y la necesidad de restaurarla genera sobrecostos para el
apicultor, además de la obvia perdida en la producción. La posibilidad del hurto de una
o varias colonias es una amenaza que los productores apícolas deben enfrentar.
Desafortunadamente, los apicultores no pueden costear frecuentes inspecciones a las
colmenas, además las inspecciones manuales incomodan a las abejas. Lo anterior
hace que la información disponible sea escasa; más aún, la información obtenida en las
inspecciones manuales no es adicionada a un sistema de información, lo que impide un
seguimiento de las condiciones de la colmena. Problemas en las colonias usualmente
son descubiertos muy tarde para brindar una solución adecuada, y en muchos casos se
pierde valiosa información al no ser registrada.
Según el encuentro de apicultores, realizado en Medellín en mayo de 2008, Colombia
cuenta con aproximadamente 120.000 colmenas la mayoría son de tipo Langstroth, y
menos de la mitad de los apicultores llevan algún tipo de registro de su producción. Su
apicultura está basada en la recolección de enjambres (colonias en tránsito por evasión
o por reproducción) y la captura de colonias silvestres (colonias en nidos de abejas ya
establecidos), sin implementar ningún tipo de mejoramiento genético de este material
biológico, factor negativo para la producción de miel.
2.3 SISTEMAS EMBEBIDOS
Son equipos electrónicos que incluyen un procesamiento de datos, pero que, a
diferencia de una computadora personal, están diseñados para satisfacer una función
4 En los insectos con metamorfosis sencilla, estado juvenil de menor tamaño que el adulto, con incompleto
desarrollo de las alas.
5 Henríquez Jiménez Félix, Paricio Núñez Enrique, Manual Práctico de Apicultura para las Islas Canarias, consejería
de Agricultura y Pesca, 1989. pp. 52
25específica, como en el caso de un reloj, un reproductor de MP3, un teléfono celular, un
router, el sistema de control de un automóvil (ECU), de un satélite o de una planta
nuclear. Es un sistema electrónico que está contenido dentro de un equipo completo
que incluye, por ejemplo, partes mecánicas y electromecánicas. [13]
Los sistemas embebidos son arquitecturas de espacio físico reducido que buscan
integrar todas las características de una computadora normal. Así como una PC puede
tener un procesador AMD, MIPS, Freescale, ARM. Los procesadores ARM están
clasificados dentro de la arquitectura EVBARM (EValuation Board ARM). En lugar de
tener un disco rígido IDE, SCSI o SATA, estos sistemas utilizan una tarjeta Compact
Flash SD (Secure Digital) como principal medio de almacenamiento y de arranque,
donde se instala el sistema operativo que se desee. [14]
Puede ser un sistema independiente o parte de un sistema mayor, y dado que
usualmente su software está embebido en ROM (Read Only Memory) no necesita
memoria secundaria como un computador. Un sistema embebido tiene tres
componentes principales:
i. Hardware
ii. Software primario o aplicación principal. Este software lleva a cabo una tarea en
particular, o en algunas ocasiones una serie de tareas.
iii. Un sistema operativo permite supervisar la(s) operación(es), además de proveer
los mecanismos para la ejecución de procesos. [15]
263. ARQUITECTURA
En este capítulo se definen los elementos generales del módulo monitoreo apícola,
seguido por la descripción de los métodos usados para medir variables físicas y los
parámetros de selección de los sensores y del sistema de procesamiento; así mismo se
expone cómo los fueron caracterizados los sensores y se describe el proceso de
desarrollo de los controladores de software de los periféricos; finalmente es presentado
el diseño y mecanizado de los armazones de ubicación del módulo de monitoreo.
3.1 ELEMENTOS MÓDULO DE MONITOREO APÍCOLA
La arquitectura general del módulo se presenta en el diagrama de la figura 14, allí se
muestra como los sensores toman la información relevante de la colmena para luego
ser procesada y presentada al usuario final, ya sea a través de una pantalla LCD o de
un medio de almacenamiento extraíble.
Fig. 9 Elementos Módulo de Monitoreo Apícola
3.2 SELECCIÓN DE SENSORES
En el capítulo anterior fueron expuestas las variables físicas y los rangos necesarios al
interior de una colmena para garantizar la salud de la población. A continuación se
presenta la evaluación de varios sensores que permiten medir dichas variables.
Temperatura y humedad
Al calentarse un cuerpo, la velocidad de vibración de las moléculas se incrementa
rápidamente. Generando, por ejemplo, en los metales cambios en la resistencia
eléctrica y dimensiones, en fluidos la presión se ve incrementada. Un instrumento mide
la temperatura debido a que es sensible por lo menos a uno de los efectos físicos por la
actividad molecular incrementada. [16]
27Dependiendo sus características de funcionamiento, los sensores de temperatura
convierten directamente el valor de temperatura a valores correspondientes de alguna
magnitud eléctrica. Algunos instrumentos utilizados para la medición de temperatura
son:
Termómetro Bimetálico: Su principio de funcionamiento está basado en la diferencia
entre los coeficientes de dilatación de dos metales (por ejemplo, latón, acero o
aleaciones de ferroníquel) laminados conjuntamente. Siendo el metal con el mayor
coeficiente ubicado en el lado externo de la bobina helicoidal formada por la lámina.
No posee muchas partes móviles, salvo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la
espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico.
Su rango de operación se encuentra entre 0 ° C y el 400 ° C.
Termómetros de Resistencia: Su funcionamiento está basado en el flujo de electrones
a través de la resistencia. Cuando varía la temperatura en el material resistivo, el flujo
de electrones varía. Es decir, la resistencia presenta una variación con la temperatura.
Es una espiral de hilo conductor, bobinado entre capas de material aislante y protegido
con un revestimiento de vidrio o cerámica.
Termopares: Consiste en un par de alambres, de diferente material, unidos en un
extremo y el otro conectado a un instrumento de medición o circuito.
Cuando la “unión viva” se calienta, un voltaje medible se genera a través de la “unión
fría”, al permanecer esta unión a una temperatura constante el voltaje no cambia.
Existen diferentes tipos de termopar según su rango de operación y materiales de
fabricación.
Para la medición de humedad los instrumentos de medición se clasifican según el
principio físico de funcionamiento, entre otros tenemos:
Mecánicos: Aprovechan la propiedad de algunos materiales que cambian su dimensión
física dependiendo de la humedad relativa del aire. Por ejemplo, cabello humano, seda,
papel, etc. que aumentan su tamaño (se alargan) al aumentar la humedad. El cambio
en las dimensiones es amplificado por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos, y
graduado de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.
El error en estos sensores es mínimo. Su rango de operación para humedad relativa de
15% a 25% a temperatura ambiente entre los – 20 °C y 70 °C.
Bulbos húmedo y seco: Este psicrómetro consiste en dos termómetros
convencionales de mercurio y vidrio, uno de ellos tiene una envolvente humedecido en
agua. El termómetro seco mide la temperatura del aire.
En tiempo seco el termómetro húmedo, debido a la evaporación, marca una
temperatura inferior al seco, y la diferencia entre ambos es una función de la humedad
relativa [17].
28Sales higroscópicas: Las sales higroscópicas son una molécula cristalina que atrae el
vapor del agua de la atmosfera.
Este tipo de sensor se compone de un tubo metálico, rodeado de un tejido de fibra de
vidrio, que a su vez se encuentra impregnado de una solución salina saturada
(higroscópica) compuesta de cloruro de litio y agua.
Sensores capacitivos: El principio en el cual se basa este tipo de sensores, es en el
cambio que sufre la capacidad (C en [Farad]) de un condensador al variar la constante
dieléctrica del mismo. Si se utiliza la mezcla gaseosa como dieléctrico entre las placas
del condensador, el valor de este estará determinado por:
29la exactitud de cada sensor, rangos de medición, resolución, precisión, generación de
errores al momento de la transmisión de la información.
Temperatura
Tabla 1
Sensor Rango (°C) Precisión Transmisión Error de
(°C) sensado
LM35 -55 a 150 0.5 SÍ
SHT1x -40 a 123.8 0.4 No
MCP9700 -40 a 125 1 Sí
Humedad
Tabla 2
Tiempo de Transmisión
Rango (% Precisión
Sensor Respuesta Error de
HR) (% HR)
(segundos) sensado
HIH-
15 0 a 100 3.5 Sí
4000
HC201 < 15 10 a 95 2 Sí
SHT1x 8 0 a 100 2 No
La familia de sensores Sensirion SHTxx son módulos de multi-sensado, que
cuantifican, convierten internamente la temperatura y humedad medidas y lo entregan a
una salida digital calibrada. Estos sensores poseen tiempos de respuestas inferiores a 4
segundos y bajos consumos de potencia (típicamente 30 μW).
30Fig. 10 Precisión de los sensores de temperatura y humedad de la serie SHTXX.
Teniendo en cuenta los rangos óptimos de temperatura y humedad (35°C y 80%
respectivamente) de la figura 10, se observa que el sensor que presenta mejor
estabilidad y linealidad en estos rangos es el SHT15 (figura 11). Adicionalmente, como
su salida es digital en una trama de datos serial pseudo-I2C, la incertidumbre de la
medida será equivalente a la del sensor.
Fig. 11 Tarjeta para el sensor de temperatura y humedad SHT15. Imagen original tomada de la hoja del datos sensor de
temperatura y humedad SHT1x. (2011).
Es una tarjeta para el sensor de temperatura y humedad SHT15 y viene calibrado de
fábrica, otras características que posee esta tarjeta:
- 2 sensores calibrados para humedad relativa y temperatura.
- Interfaz digital de 2 cables.
31- Calculo preciso del punto de rocío
- Rango de medición 0-100% RH
- Precisión absoluta RH: : +/- 2% RH (10...90% RH)
- Repetitividad RH: +/- 0.1% RH.
- Precisión de la temperatura : +/- 0.3°C @ 25°C
- Tiempo de respuesta: < 4 sec
- Bajo consumo de energía (typ. 30 µW)
- Bajo costo
- Sensor de alta precisión a bajo costo
- Tecnología CMOSens para lograr una estabilidad a largo plazo
La tecnología CMOSens permite que el sensor sea combinado con el circuito de
tratamiento de señal análoga y digital en un pequeño chip, garantizando precisión,
fiabilidad y funcionalidad; todo integrado en la misma tarjeta.
Densidad poblacional de una colmena
Se necesita establecer la cantidad de abejas que salen de la colmena como un medio
para estimar su población. Los apicultores usualmente modifican las colmenas,
habilitando orificios que únicamente son usados por las abejas como salida. Véase
figura 12.
Fig. 12 Colmena con las salidas modificadas
Para poder rastrear el paso de las abejas por los orificios de salida de la colmena, se
analizaron tres métodos de sensores discretos: mecánico, ultrasónico y óptico.
Mecánico: Los sensores de acción mecánica o de contacto, como su nombre lo indica,
requieren un contacto físico para ser activados. Por tal motivo su implementación
implica alterar los conductos de salida habilitados en la colmena y el desgaste
mecánico generado por la actividad de la colmena puede darse en un periodo.
32Los sensores de proximidad a diferencia de los mecánicos no requieren contacto físico,
es libre de desgaste, conmutación anti-rebotes, entre otras ventajas. Existen varios
tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Por disponibilidad
y adaptabilidad para ser dispuestos en la colmena sin alterar la actividad de las abejas
se contemplaron los ultrasónicos y los fotoeléctricos, sus ventajas y desventajas se
exponen a continuación.
Ultrasónico: Los sonares usado por los submarinos utilizan este principio. Los
sensores emiten una señal de presión y cuando un objeto entra al haz, el sonido es
reflejado de regreso al sensor. Este tipo de sensores, por las formas de comunicación
de las abejas, pueden afectar su comportamiento y alterar las actividades de la
colmena, por tal motivo no es recomendable implementarlo.
Fotoeléctricos: Funcionan con una fuente de luz que va desde el tipo incandescente
de los controles de relé a la de estado sólido modulada (LED) de los detectores de
colores. Y operan al detectar un cambio de luz recibida por el foto-detector.
Algunos modelos de estos sensores son fabricados con inmunidad a la luz solar
incidente o reflejada para evitar falsas lecturas.
Existen tres configuraciones o modos de detección fotoeléctrica:
1. Haz transmitido: Estos detectores funcionan de forma que el emisor y el receptor
se encuentran en posiciones opuestas, de forma que la luz emitida incida
directamente en el receptor. El objeto a detectar debe interferir o bloquear el haz
de luz entre la fuente y el receptor.
Fig. 13 Modo de detección haz transmitido. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y
automatización del transferidor de mantos
2. Retrorreflectivo: Para este sistema el emisor y el receptor se encuentran en el
mismo envolvente, de manera que el haz emitido se refleja en una superficie
especial donde y viaja de vuelta al sensor donde es detectado por el receptor. El
sensor se activara si el haz se ve interrumpido.
33Fig. 14 Modo de detección reflectivo. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y automatización
del transferidor de mantos
3. Difuso: Este mecanismo se utiliza en situaciones donde es difícil o imposible
poder acceder al otro lado del objeto. En esta situación se hace necesario
apuntar la luz de forma directa al objeto, esta será reflejada por la superficie del
objeto en todas las direcciones y el receptor deberá detectar la pequeña fracción
de luz que se reflejará directamente sobre el sensor. [18]
Fig. 15 Modo de detección difuso. López, Á. (2004). Implementación de un sistema de conteo de varilla y automatización del
transferidor de mantos
Finalmente se implementó un sistema de registro a través de parejas de sensores
ópticos infrarrojos enfrentados para realizar la detección de los insectos. Las abejas
principalmente pueden distinguir cuatro colores: blanco, azul, amarillo y negro. Debido a
que la visión de las abejas se ubica en la región del espectro que va del ultravioleta al
naranja-amarillo los sensores infrarrojos no afectan su comportamiento, véase figura x.
Fig. 16 Espectros de visión humana y de la abeja imagen tomada de < http://tiemposidereo.blogspot.com/2011/03/sobre-
como-ven-las-abejas-el-universo.html>
34Alimentación artificial
En el capítulo anterior vimos los métodos para proveer a la colmena de alimentos
cuando es requerido. El método de alimentación más comúnmente utilizado es el
cuadro alimentador (figura 7); para evitar la escasez de alimento en la colmena cuando
se utiliza este método es necesario conocer el nivel del agua azucarada en su interior.
A continuación exponemos diferentes métodos para determinar el nivel del tanque.
Presión medida: Es el método de medición de nivel de líquidos más simple en tanques
abiertos. Consiste en conectar un medidor de presión por debajo del nivel más bajo que
se va a considerar, siendo este nivel el de referencia y la presión estática indicada por
el medidor se vuelve una medida de la altura de la columna del líquido sobre el
medidor, y por tanto el nivel del líquido.
Presión Diferencial: Se basa en aplicarle al instrumento la presión existente en la
superficie del líquido en ambas direcciones con la finalidad de anularla, y que la presión
detectada sea la hidrostática, la cual se puede representar en unidades de nivel.
Flotador-boyante: No depende de la presión estática para medir el nivel de líquidos,
pero debe tenerse en cuenta al proyectar el flotador, ya que siendo éste hueco, debe
ser lo suficientemente robusto como para soportar la presión sin deformarse. El flotador
se suspende de una cinta sometida a leve tensión. Conforme aquel se desplaza hacia
arriba o abajo, siguiendo el nivel del líquido, arrastra la cinta que hace girar una rueda
catalina.
Desplazamiento del flotador: Se basa en la diferencia existente entre el cuerpo y la
fuerza de flotación hacia arriba que el medio ejerce sobre el cuerpo de desplazamiento,
Principio de Arquímedes. La fuerza de flotación hacia arriba depende del volumen del
cuerpo de desplazamiento, la densidad relativa y el nivel del medio. Es necesario que
para que el cuerpo se desplace, debe ser más pesado que el medio. La fuerza
diferencial se transmite frecuentemente a un transductor de medición por un sistema de
barra de torsión de manera que el equipo se mantenga sellado. El transductor
empleado puede ser de desplazamiento eléctrico o de fuerza. [19]
Este último método es de los más simples e ideal para el entorno al interior de las
colmenas. En la aplicación actual un interruptor la convierte en una señal eléctrica para
ser trasmitida al sistema embebido. El sistema genera una alerta cuando se alcance un
nivel crítico en el tanque y así el apicultor pueda atender las necesidades de la colmena
de forma oportuna.
35Fig. 17 (a) Boya, (b) Interruptor final de carrera
El interruptor se aísla del contacto con las abejas, para evitar que estas se lastimen o
afecten el funcionamiento del sensor, mediante un módulo que será expuesto en
secciones posteriores.
Control sobre la manipulación de la colmena
Las abejas son insectos himenópteros6 con ponzoña7 y que como mecanismo de
defensa utiliza la misma para alejar depredadores de las inmediaciones de la colonia.
[20]
Pero aun así la colmena está expuesta a riesgos generados por animales o humanos,
golpes, sacudidas o hurto. Para garantizar la estabilidad y tener un control de la
manipulación que se realice por parte del apicultor a la colmena, se requiere de
sensores que indiquen el estado de la colmena.
Interruptor: Una aproximación sencilla a un sensor de apertura es el uso de un
interruptor, ver figura 18, ubicado de forma que cuando la tapa se encuentre sobre la
colmena éste forme un puente de paso para los electrones, enviando así una señal
indicando dicho el estado o su cambio.
6 Se dice de los insectos con metamorfosis complicadas, como las abejas y las avispas, que son masticadores y
lamedores a la vez por estar su boca provista de mandíbulas y, además, de una especie de lengüeta. Tienen cuatro
alas membranosas. El abdomen de las hembras de algunas especies lleva en su extremo un aguijón en el que
desemboca el conducto excretor de una glándula venenosa.
7 Sustancia que tiene en sí cualidades nocivas para la salud, o destructivas de la vida.
36Fig. 18 Interruptor.
Este tipo de sensores están sujetos a falsas señales, en caso que la tapa no se
encuentre dispuesta “exactamente” sobre el interruptor; dada la ubicación del
interruptor, el mismo es susceptible a un alto desgaste.
Magnético: El sensor magnético se utiliza para proteger puertas y ventanas, y en
general todo tipo de apertura.
Hay una buena cantidad de modelos de magnéticos, pero todos consisten en dos
piezas apareadas: el imán y el contacto de ampolla. Eléctricamente, es un interruptor
momentáneo, tal como un pulsador y se presenta con contacto normalmente abierto
(NA), normalmente cerrado (NC) o inversor (NA y NC), figura 19.
Fig. 19 Esquema eléctrico detectores magnéticos
Su funcionamiento es sencillo: los contactos de la ampolla están imantados, y en
presencia del campo magnético del imán cambian de posición abriendo o cerrando un
circuito. No es necesario que ambas piezas se toquen, bastará que la ampolla esté
dentro del campo magnético del imán, figura 20.
37Fig. 20 Sensor magnético
Sensor de Movimiento
Son dispositivos que contienen un sensor eléctrico o electromecánico capaz de
cuantificar el movimiento, generando una alerta si este se sale de los parámetros
preestablecidos.
Un ejemplo de este tipo de sensores el interruptor de mercurio, que identifica
movimiento en donde éste se encuentre ubicado. Consiste en un contacto eléctrico en
una ampolla de cristal sellado que contiene cierta cantidad de mercurio. El cristal
sellado puede contener aire o gas inerte. Que ante un movimiento de perturbación
cierra el circuito cuando la ampolla se acopla a los contactos, generando así una señal
que puede ser usada como precaución o alarma.
Fig. 21 Esquema Funcionamiento Interruptor de Mercurio. (Imagen tomada de http://www.gdescalzo.com.ar/timer.htm)
El interruptor de mercurio, figura 21, dispuesto en la colmena se encuentra encapsulado
con una chaqueta de protección en acero inoxidable, dicha cubierta protege al
dispositivo y así mismo impide la contaminación de la colmena por parte de este.
38Fig. 23 Interruptor de mercurio con cubierta protectora
Fig. 22 Interruptor de mercurio
Caracterización de sensores
Una vez seleccionados los sensores que serían usados en la aplicación se realizaron
diversas pruebas para caracterizarlos y verificar que fuesen adecuados para ser usados en
el módulo de monitoreo.
Sensor infrarrojo
Para realizar la prueba del sensor infrarrojo, se realizó el montaje del circuito que se
presenta en la figura 24. Al esquema presentado se adicionó una manguera transparente
en medio de los diodos emisor y receptor para validar la confiabilidad del sensor. Luego de
verificar que el diodo receptor recibe la señal del emisor a través de la manguera, se ubicó
una obstrucción dentro de la manguera simulando el paso de una abeja entre los LEDs. Los
resultados de la prueba, mostraron que a un voltaje de alimentación de 3.3 V y con los
diodos enfrentados a una distancia de 12 mm y la manguera en medio, la tensión de salida
logra superar los 3 V. En el momento que una abeja atraviesa la manguera, la tensión de
salida se aproxima a 0.7 V.
Fig. 24 Circuito sensor infrarrojo
39Magnético
La prueba para el sensor magnético consistió en verificar su respuesta al ubicar la
pareja a diferentes distancias y diversos ángulos, se verificó la continuidad entre las
borneras con un multímetro. Las pruebas mostraron que el sensor cierra el circuito a
una distancia aproximada de 3 cm de separación o inferior y a una orientación de 45°
entre ellos.
Sensor de mercurio
De forma similar a la prueba realizada con el sensor magnético para la apertura, se
verificó la continuidad de los bornes con un multímetro, posteriormente se dispuso el
sensor en diferentes ángulos de inclinación respecto al suelo. Se simularon sacudidas
de la colmena y se logró evidenciar que para un rango de 10 a 45° el sensor se activa
ante el tipo de perturbación que se desea registrar y al mismo tiempo logra evitar
activaciones indeseadas por perturbaciones despreciables.
3.3 SISTEMA EMBEBIDO, CHUMBY HACKER BOARD (CHB)
Buscando modularidad y la facilidad en la integración de los diferentes proyectos
relacionados que se llevan a cabo dentro del Grupo de Microelectrónica de la
Universidad Nacional de Colombia (GMUN), además de la facilidad de uso de las
herramientas de software libre disponibles, se decidió usar el sistema embebido
Chumby Hacker Board (CHB).
Tarjeta y sus Periféricos
Chumby ofrece un sistema embebido llamado Chumby Hacker Board (CHB) que se
muestra en la figura 25, la hoja de datos de la tarjeta se encuentra en el Anexo A. Este
sistema usa Linux como sistema operativo y algunas de sus características se
enumeran a continuación:
• Procesador Freescale iMX.233 con un reloj a 454 MHz
• 64 MB de memoria RAM
• 3.3V I/O pines para conexión de periféricos
• Cargador de baterías de Ion/polímero a 5V
• Tres puertos USB
• Puerto serial TTL a 3.3V para fácil conexión terminal [21]
40Fig. 25 Sistema embebido Chumby Hacker Board. (2012). Recuperado de http://proto-pic.co.uk/chumby-hacker-board/.
La CHB cuenta con su propio kernel8, pero este genera problemas de estabilidad,
arranque y comunicación serial. El kernel 2.6.35.3 elimina estos conflictos con la tarjeta,
los archivos de configuración fueron modificados de manera que los pines y la
comunicación serial sea compatible con el hardware. Se incorporaron los drivers
necesarios para el desarrollo del proyecto. Una vez anexados los drivers se compilo y
cargo el kernel usando el imxbootlets a la microSD de arranque. El buildroot 2012.08-
rc1 se usó para el sistema de archivos y también se adicionó en la microSD.
Cable FTDI
El sistema embebido Chumby Hacker Board cuenta con un puerto de 4 pines para
conexión serial que trabajan a 3V, ver figura 26. Este puerto tiene una taza de
transmisión de 115,2 Kbps. Para lograr conectar el anterior con un computador se
requiere de un cable FTDI (Future Technology Devices International, por sus siglas en
inglés) que fue modificado.
8 kernel ó núcleo de linux se puede definir como el corazón de este sistema operativo. Es el encargado de que el
software y el hardware de tu ordenador puedan trabajar juntos. (en línea), <http://www.linux-es.org/kernel>
41Fig. 26 Conexión serial CHB imagen original de http://guy.carpenter.id.au/chumby-oe/blog/2012/03/20/chumby-hacker-
board-illustrated/
El cable FTDI es un cable de conversión USB a Serial (TTL), que permite la conexión de la CHB
al computador, ver figura 27. Los pines de E/S de este tipo de cables están configurados para
funcionar a 5V. Se usó el cable de referencia DUK-5 para teléfonos móviles NOKIA; este cable
es un bus de tres fibras que fue adecuado para la conexión con el puerto de comunicación
serial de la CHB. Teniendo en cuenta las recomendaciones para el ajuste del cable, en la
página http://www.ladyada.net/learn/chumby/serial.html, se realizó la identificación de cada fibra,
usando un osciloscopio.
Fig. 27 Configuración conexión cable FTDI-CHB
Para comprobar la comunicación entre el computador y el sistema embebido CHB se
usó un programa de emulación de terminal denominado Minicom, desarrollado para
sistemas basados en UNIX. [22]
Minicom
Una HyperTerminal es un programa utilizado para conectar con otros equipos, servicios
en línea y equipos host, mediante un modem. [23]
42Minicom es un clon GPL9 del programa Telix DOS, emulador de terminales serie para
sistemas operativos tipo Unix con una interfaz modo texto. Está basado en
comunicaciones y emula terminales VT102 y ANSI. [24]
Para instalarlo, se puede usar el comando yum install minicom si usa una distribución
basada en Red Hat o SUSE, y apt-get install minicom para distribuciones basadas en
Debian.
La instalación debe realizarse en la terminal usando el comando
sudo apt-get install minicom
La configuración para el uso de minicom. Ejecutamos en consola
sudo minicom -s
Para la configuración se selecciona “Configuración de la puerta serial”, véase figura
28.
Fig 28 Configuración Minicom
9 GNU GPL (General Public License, por sus siglas en inglés). Su propósito es declarar que el software cubierto por
esta licencia es software libre y protegerlo de intentos de apropiación que restrinjan esas libertades a los usuarios.
43En la siguiente pantalla, figura 29, se configuró el puerto serie, en este caso ttyUSB0, la
velocidad, bits de paridad, entre otros.
Fig 29 Configuración puerto serie
Para guardar los cambios realizados, se selecciona “Salvar configuración como dfl”.
Una vez configurado podemos utilizar el minicom ejecutando:
$ minicom
Ahora es posible iniciar el trabajo con la tarjeta Chumby Hacker Board como es
presentado a continuación.
Comunicación PC-CHB
Al iniciar la sesión con la CHB ya conectada se visualiza en pantalla, como se puede
apreciar en la figura 30 las aplicaciones y los elementos del sistema operativo
necesarios para el funcionamiento del sistema embebido.
44Fig. 30 Inicio de sesión en la CHB
En la figura 31, se observa el sistema ya inicializado y la ejecución de un comando
propio de GNU/Linux.
Fig. 31 Listado de archivos y directorios contenidos en la raíz del sistema
Para salir de minicom se pulsa Ctrl+A seguido de x.
Para ver la ayuda de minicom Ctrl+A seguido de z.
Para cargar un archivo sobre la CHB, seguimos las siguientes instrucciones:
45# mount –o remount,rw /
# rx sht15
Después de digitar la línea anterior, se selecciona el protocolo de transferencia de
archivos pulsando Ctrl + A seguido de la tecla s, desplegándose un menú como se
muestra en la figura 32.
Fig. 32 Listado protocolos de transmisión de archivos
De las opciones en el listado elegimos xmodem, que es un protocolo para el envío de
archivos, el cual divide los datos originales en "paquetes" que son enviados al receptor,
junto con información adicional que le permite al receptor saber si el paquete recibido
es correcto.
Este paquete tiene un tamaño de datos de 128 bytes, más cuatro bytes (un byte para el
comienzo de cabecera (carácter SOH); un segundo para la posición del paquete dentro
del mensaje; un tercer byte en complemento a 1 para comprobar la exactitud; y un
último de checksum para el control de errores del paquete). Si la transferencia de un
paquete es correcta, el receptor envía la señal ACK al emisor para que envíe el próximo
paquete. Si hubo algún error se envía la señal NAK, para que se reenvíe el paquete.
[25]
Luego de seleccionar el protocolo de transmisión xmodem, encontramos el menú de la
figura 33, donde elegimos la primera opción, esto nos permite ingresar la ruta del
archivo ejecutable, como se observa en la figura 34.
46Fig. 33 Selección del archivo a cargar
Fig. 34 Ingreso de la ruta
Una vez iniciada la transferencia, Minicom presenta el progreso de ésta, como es
presentado en la figura 35. En caso de error durante la transmisión, Minicom informará
del evento.
Fig. 35 Error en la transmisión
47Fig. 36 Error en la transmisión
Al completarse la transferencia del archivo (figura 36), se puede comprobar la ubicación
del archivo como se muestra en la figura 37.
Fig. 37 Transferencia completa del archivo
Fig. 38 Ubicación del archivo
A continuación brindamos permisos de ejecución al archivo cargado a la CHB y lo
ejecutamos con los comandos:
#chmod +x sht15
#./sht15
48“Hola Mundo” con la CHB
En la mayoría de los lenguajes de programación, el primer programa desarrollado
escribe en pantalla del computador la frase “Hola Mundo”. Para la CHB se desarrolló un
“Hola Mundo” que aproxima al manejo de la tarjeta, definición de pines (como entrada,
salida y entrada/salida) y suspensión de la ejecución de un proceso. La figura 39
presenta el código elaborado. La asignación de pines se realizó teniendo en cuenta la
hoja de datos del procesador IMX233, que usa la CHB, estableciendo la forma en que
se definen los pines de entrada/salida.
Fig. 39 Código “Hola Mundo”
Este código activa el transistor Q400 que permite el paso de corriente a través del LED
D0, según hoja de datos de la CHB (véase Anexo A); luego inicia un ciclo infinito en el
que el LED D0 enciende y apaga permaneciendo en cada estado durante 1 segundo.
Ahora bien, para lograr ejecutar el código anterior, debemos compilarlo a instrucciones
propias del procesador iMX233. Para lograr lo anterior debemos instalar el ToolChain
(cadena de herramientas) propio de la CHB que se encuentra disponible en el siguiente
enlace:
<http://wiki.chumby.com/index.php/GNU_Toolchain>
Allí también encontraremos las instrucciones de instalación del ToolChain sobre un
computador personal. Una vez tenemos el ToolChain debidamente instalado sobre
nuestro ordenador, podemos compilar el código anterior y luego cargar el archivo
binario sobre la CHB, como se presentó en la sección anterior.
493. 4 CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS (DRIVERS)
Un controlador es software permite que el equipo, en este caso el sistema embebido
Chumby Hacker Board, se comunique con hardware o dispositivos, por ejemplo
sensores. Sin controladores, el hardware que se conecte al equipo no funciona
correctamente.
Sensores ON-OFF
Para el control de apertura, movimiento de la colmena y el de medición del tanque de
alimentación artificial, se usa este tipo de sensor.
Para estos tres sensores se desarrolló el mismo tipo de controlador, basado en el “Hola
Mundo” y código del pulsador, descritos en la sección anterior (3.3). Los interruptores
usados para medir el tanque de alimentación y el movimiento son normalmente abiertos
y el de apertura es normalmente cerrado. Al ser activado el sensor, cualquiera de los
tres mencionados, se envía la señal respectiva de alerta que se despliega en pantalla y
se registra en un archivo de texto, que puede ser extraído en una memoria USB.
Para el sensor de movimiento, se dispone en la caja de mando de un indicador de luz
que se activa ante una perturbación.
Código del Pulsador
Los pulsadores o switches conectan dos puntos de un circuito al ser pulsados. Se
desarrolló un código que enciende el mismo led usado para el “Hola Mundo” cuando se
pulsa un interruptor.
5051else
{
imx233_wr(HW_PINCTRL_DOUT0_CLR, 0x00000001); // Establece en bajo el pin
de salida, pin 0 banco 1
printf("off\n");
usleep(1000*1000*1);
}
}
}
Este código genera una salida constante en alto, esta salida va a un interruptor
normalmente abierto cuya salida va a una entrada de la CHB, cuando el interruptor se
cierra y la entrada está en alto se enciende el led D0 de la CHB.
A partir del código anterior, se desarrollaron los drivers para los sensores “on/off”.
Sensor de temperatura y humedad (SHT15)
El sensor de temperatura y humedad SHT15 es un dispositivo de comunicación serial,
este sensor usa una comunicación similar a la determinada por el protocolo I2C; sin
embargo, en la hoja de datos del fabricante (Anexo B) se especifica que aunque el
sensor puede compartir conexión con otros dispositivos I2C, no es posible realizar
comunicación con él usando este protocolo.
El sensor cuenta con cuatro pines descritos según la figura siguiente.
Fig. 40 Circuito de conexión maestro-esclavo, sensor SHT15. Hoja de datos sensor de temperatura y humedad SHT1x. (2011)
SCK (Serial clock input), esta señal es usada para sincronizar la comunicación entre el
maestro (sistema embebido Chumby Hacker Board) y el esclavo (SHT15).
Data (Datos), este pin de tres estados es usado para transferir datos tanto de entrada
como de salida del sensor según la tabla 3.
GND (Ground), es el nodo de referencia para el circuito.
52VDD, es el voltaje de alimentación. Al igual que los demás periféricos, excepto la
pantalla de cristal líquido, es alimentado a 3.3V. Adquirimos el sensor SHT15 para el
desarrollo del proyecto junto con el circuito de acondicionamiento de señal, dispuesto
sobre una pequeña tarjeta de conexión, que facilitó su ubicación final en el armazón
dispuesto.
Tabla 3 Lista de comandos de los sensores SHT1x
Command Code
Reserved 0000x
Measure Temperature 00011
Measure Relative Humidity 00101
Read Status Register 00111
Write Status Register 00110
Reserved 0101x-1110x
Soft reset, resets the interface, clears
the status register to default values.
11110
Wait minimum 11 ms before next
command
Para iniciar la transmisión, una secuencia de inicio debe ser ingresada. Ésta consiste en
colocar en bajo la señal de “Data” mientras “SCK” está en alto seguido por un pulso en
bajo de “SCK”, durante la transición de bajo a alto de “Data” de nuevo mientras “SCK”
aún se encuentra en alto; como se muestra en la parte superior de la figura 17 de la
hoja de datos sensor de temperatura y humedad SHT1x. (2011), Anexo B.
Tomando como base la figura 17 del ANEXO B, se desarrollaron las etapas de
comunicación con el sensor en la CHB, ya sea para la etapa de transmisión (La señal
“Data” se encuentra resaltada cuando la información proviene del sistema embebido
CHB.) como de recepción de los datos provenientes del sensor; secuencia de inicio,
lectura del acknowledge, reinicio y las presentadas en el cuadro 3. El controlador se
diseñó para una frecuencia de “SCK” de 1KHz.
Conteo de Población
Basados en la manipulación de tiempo de sensado usado en el desarrollo del driver
para el sensor SHT15, se concibió la lógica de conteo de población. Este manejo de
tiempo es de vital importancia para un muestreo adecuado de la población, y debe ser
de fácil adaptación, debido al comportamiento aleatorio de las abejas, aunque se
garantice que para una abeja obrera de tamaño promedio el dar la vuelta dentro del
ducto de acceso (manguera) no sea fácil.
El módulo cuenta con cuatro accesos de adecuados para conteo, la lógica desarrollada
para uno de los accesos es presentada en el diagrama de flujo de la figura 41. El
programa fue escalado de forma que la misma lógica fuese usada en los cuatro
accesos.
53INICI
FLAG = 0
S1 = 0; S2 =
ContAux =
0
S1
FLAG = 1 S2
S2 FLAG = -1
ContAux
++
S1
ContA
ContAux
ValorMue
++ t 2
ValorMue
ContA
ValorMuestr
a ++
ValorMuestr
a ++
54LCD, Liquid Cristal Display
Hasta ahora la visualización de la información que ha sido adquirida por los sensores se
ha desplegado en una pantalla de computador, pero es necesario permitir que esta
información se accesible en campo para los apicultores.
Se desarrolló un controlador para la pantalla con entrada a 4 bits, está estructurado con
funciones de escritura, habilitación, limpieza de pantalla, seguimiento de dirección y
rutina de inicialización.
Para poder visualizar la temperatura y humedad, se realizó la conversión del tipo de
dato proveniente del controlador del SHT15, pues es tipo float y es necesario que sea
tipo char para ser visualizada en el LCD, para ellos se introduce la siguiente línea en el
controlador de visualización del LCD.
float temperature, humidity; //Información proveniente del SHT15
char data_tem[]="0", data_hum[]="0";
char data_pob[]="00000000";
func_lcd(); //Inicializa el lcd
read_sht15(&temperature, &humidity );
lcd_goto(0x40); // Selecciona la primera línea del LCD
sprintf(data_hum, "%f", humidity ); // Convierte a humidity de tipo
flotante en data_hum tipo char
lcd_puts("Hum=");
lcd_puts(data_hum); //escribe en la primera línea el valor de la humedad
Teclado
Como se mencionó en la sección anterior, el controlador del teclado fue previamente
añadido al Kernel de la CHB, sin embargo, para lograr que el teclado fuese “activado” y
los comandos provenientes de éste fuesen ejecutados por el sistema, se ejecutaron los
comandos siguientes:
#/sbin/modprobe fbcon
#/usr/bin/olfade 0
El comando olfade es propio del sistema de archivos de la Chumby Hacker Board. Al
ingresar dicho comando, la consola sobre Minicom pierde el control y los comandos
ingresados a través del PC ya no se visualizarán en Minicom ni serán ejecutados por la
55CHB. Permitiendo que el teclado USB del sistema tenga el control y pueda desplazarse
sobre la interfaz creada para el LCD.
Pruebas preliminares
Una vez elaborados cada uno de los controladores necesarios en el Módulo de
Monitoreo Apícola, y previo a la integración como un solo sistema se realizaron una
serie de pruebas de funcionamiento de manera independiente a cada sensor y su
respectivo controlador.
Se definió la ubicación final de las entradas y salidas de cada uno de los sensores
sobre la CHB; así cada controlador fue probado en con sus nuevos puntos de entrada y
salida.
Uno de los elementos del sensor de apertura, compuesto por 2 piezas (figura 20), fue
conectado a la CHB, mientras su contraparte fue ubicada a diferentes distancias de la
primera para simular la apertura de la colmena. El programa mostró en pantalla
“colmena abierta” cuando las partes se encontraban separadas y “colmena cerrada”
cuando las partes estaban juntas o a corta distancia, según la caracterización realizada
anteriormente.
Basados en el código usado para probar el sensor de apertura, se realizó la prueba de
los sensores ópticos. El programa mostró en pantalla el número cero (0), cuando un
cuerpo se encontraba en medio de los LEDs emisor y receptor, y un uno (1) si no había
elemento alguno entre los diodos.
Un programa similar al usado para la prueba del sensor de apertura se realizó para el
sensor de movimiento; sin embargo, en esta ocasión la señal no provenía directamente
del sensor de mercurio (figura 21), sino de un circuito monoestable, como el mostrado
en la figura 41. Esta etapa intermedia entre el sensor y la CHB se dispuso como fuente
para el LED (alarma) ubicado sobre la caja de mando. Los resultados de las pruebas,
mostraron en pantalla “movimiento” y un LED rojo encendido durante 11 segundos
cuando el sensor sufría alguna “sacudida”, y “C. Estable” mientras el sensor de
mercurio se encontraba abierto y estable.
56Fig. 41 Esquemático circuito monoestable
Al controlador del sensor de temperatura y humedad se añadieron algunas líneas de
código para que mostrara en pantalla los valores obtenidos de temperatura y humedad.
El controlador fue diseñado para que cuando la CHB no recibiese una señal de
“acknowledge” esto fuese registrado en pantalla. El acknowledge fue probado al
ejecutar el programa sin el sensor conectado y cambiando los tiempos de espera que el
sensor SHT15 requiere para lograr enviar los datos. Estas pruebas fueron
satisfactorias, el programa notaba la ausencia de la señal y lo reportaba de inmediato.
Las condiciones de temperatura y humedad para el sensor fueron modificadas y los
nuevos valores fueron registrados en pantalla cada 3 segundos. De acuerdo a la hoja
de datos del sensor SHT15 (Anexo B), el tiempo mínimo que el sensor requiere para
tomar muestras es de 300ms. El tiempo de 3 segundos fue elegido para que se pudiese
visualizar el cambio en la lectura en pantalla.
Para verificar los valores obtenidos con el controlador desarrollado para la CHB, dos
sensores SHT15, el primero conectado al Arduino UNO R3 y el segundo conectado a la
CHB, fueron sometidos a las mismas condiciones y variaciones de temperatura y
humedad. Los valores fueron comparados, como se muestra en el cuadro 4; también se
evidencia que se intercambiaron los sensores para verificar la fiabilidad de la prueba.
Simultáneamente los valores de temperatura fueron comparados con los obtenidos a
partir de un termopar.
57Tabla 4 Pruebas preliminares sensor temepratura y humedad SHT15
Prueba 1 Prueba 2
CHB Arduino UNO CHB Arduino UNO
Temp. (°C) H.R. (%) Temp. (°C) H.R. (%) Temp. (°C) H.R. (%) Temp. (°C) H.R. (%)
27,7 77 28,4 72,59 27,86 56,67 27,5 56
27,7 78 28,11 76,63 27,91 64,27 27,5 57
27,7 81 28,47 81,67 28,4 72,59 27,5 57
27,8 82 28,5 81,7 28,4 72,59 27,5 58
Tras desarrollar el controlador de la pantalla, éste se probó con la interfaz que mostraría
los valores adquiridos por todos los sensores, como se observa en la figura 42.
Fig. 42 Prueba preliminar visualización (Muestra de algunos sensores).
En la figura 42, también se observa en los resultados de humedad relativa y
temperatura, el punto flotante muestra 3 cifras decimales, esto es debido a ruido
matemático añadido durante la conversión de los datos al usar las ecuaciones del
sensor SHT15. Los valores obtenidos fueron manipulados para mostrar la incertidumbre
correspondiente al sensor (véase Anexo B).
Para verificar el funcionamiento del teclado se ejecutaron comandos sobre la CHB a
partir de éste; La tarjeta ejecutó el comando de reinicio (reboot) y de “bajada” del
sistema (halt). Para visualizar los comandos ingresados al Minicom, se ejecutó el
comando:
58#cat /dev/tty0
Se elaboró un código que mostrara cambios sobre la pantalla de cristal líquido, ya que
cualquier comando ingresado por el teclado USB no era visible sobre Minicom.
3.5 DISEÑO CAD
Para la adecuada ubicación de cada uno de los sensores dentro de la colmena fue
diseñada una serie de armazones de ubicación. Los planos y sólidos de los armazones
fueron creados a medida con la ayuda de la herramienta CAD SolidWorks.
Los primeros armazones diseñados son los que comprenden el módulo de detección de
nivel mínimo. En primera instancia se desarrolló el sólido de sujeción de la boya o
flotador de acero inoxidable (Figura 43), que a su vez serviría cómo conector de la
masa de la boya al interruptor (Figura 44) que serviría de transductor para el sistema
embebido CHB. El diseño de los armazones, así como el ensamble del módulo se
presentan en la figura 45.
Fig. 43 Diseño CAD armazón boya acero inoxidable.
59Fig. 44 Armazón e interruptor para sensado de nivel, vista isométrico.
Fig. 45 Módulo de sensado de nivel mínimo. Vista lateral (izquierda) y vista en isométrico (derecha).
A continuación se presenta el diseño del armazón para la ubicación de los sensores de
movimiento, temperatura y humedad. El diseño de este armazón está basado en los
paneles usados normalmente en una cámara de cría. Lo anterior para sensar la
temperatura y la humedad a la que está sujeta la cría. La figura 46 presenta el panel
junto con la modificación en el centro que sirve para la ubicación de los sensores así
como soporte para la estructura.
60Fig. 46 Panel de ubicación sensores de movimiento, temperatura y humedad.
Finalmente se realizó el diseño del armazón de disposición de los sensores infrarrojos
para el conteo de población; este diseño comprende tres elementos: La pared posterior
que sirve a su vez de soporte a la los ductos de acceso y a la “carcasa” de conexiones.
En la figura 47 se expone la pared posterior del armazón junto con los orificios para los
tornillos de soporte, un canal que sirve de soporte a la parte frontal del armazón y los
hoyos para los ductos de acceso.
Fig. 47 Pared posterior armazón para sensores de conteo de población.
El segundo elemento de este armazón son los ductos de acceso, presentados en la
figura 48. Estos ductos presentan un orificio en el centro que permite la ubicación de las
mangueras usadas usualmente por los apicultores cómo se presentó en la sección 3.2;
También se observan cuatro orificios dispuestos en los costados de los ductos que
sirven de soporte a los fotodiodos emisor y receptor.
61Fig. 48 Pared posterior y ductos de acceso armazón para sensores de conteo de población.
El tercer y último elemento del armazón es la cubierta de protección para los sensores y
las conexiones internas. La figura 49 presenta el armazón con la cubierta, en ésta se ve
sobresalir ligeramente los ductos de acceso para la ubicación de las mangueras,
mientras el resto se encuentra cubierto.
Fig. 49 Módulo conteo de población.
Por sugerencia del Grupo GAUN, el número de accesos se incrementó a cuatro. En la
figura 50, se muestra el diseño modificado del armazón de conteo de población y las
manqueras sobresaliendo de los ductos de acceso.
62Fig. 50 Módulo muestreo de conteo, a) vista sin marco, se observa la ubicación dispuesta para los fotodiodos. d) vista
posterior, se muestra que los tubos sobresalen para encajar en la colmena y servir a su vez de soporte para el módulo.
3.6 MECANIZADO Y ENSAMBLE
Para la elaboración de las piezas de los armazones diseñados se decidió usar acrílico
como materia prima, dadas la facilidad de acceso a herramientas de corte para este
material y sencilla manipulación; el material también presenta una resistencia y
flexibilidad adecuadas la elaboración de los módulos requeridos. Las láminas utilizadas
tenían un espesor de 3 y 6 milímetros según diseños.
Para la elaboración de las piezas se contó con las máquinas y herramientas de los
talleres de la Universidad, permitiendo un trabajo de precisión. El corte de las piezas
para los armazones, a excepción de los ductos de acceso, fue realizado con una
cortadora láser. El ajuste de las piezas y corte de los ductos de acceso se realizó en el
laboratorio de Diseño de Ingeniería Mecánica y en el taller de mantenimiento de la
Universidad Nacional de Colombia.
El corte láser fue logrado al tomar los planos desarrollados en SolidWorks y
transfiriéndolos a un programa de manipulación de imágenes vectorizadas, CorelDraw.
Luego de realizar el corte de las diferentes piezas, los armazones fueron pegados con
cloruro de metileno. Las figuras 51 a 54 presentan algunas de las piezas de los
armazones.
63Fig. 51 Pieza panel
Fig. 52 Pieza panel
Fig. 53 Estructura panel
64Fig. 54 Piezas modulo conteo de población
Los ductos de acceso, para el módulo de conteo de población, fueron cortados y
perforados a partir de una varilla de acrílico transparente de 28 mm de diámetro, según
los planos. Los orificios de ubicación de los fotodiodos fueron realizados con un taladro
de árbol y el orificio que sirve de acceso y soporte de las mangueras fue realizado con
un torno mecánico. En las figuras 55 y 56 se presenta los ductos de acceso tras el
mecanizado.
Fig. 56 Ducto de acceso, vista superior
Fig. 55 Ducto de acceso
65Medición de nivel del tanque de alimentación
Los elementos del Módulo detección de nivel fueron cortados de la lámina de acrílico de
6 mm, éstos sirven de soporte para la boya de acero inoxidable y para el interruptor que
convierte la ausencia de líquido en el tanque en una señal eléctrica. En la figura 57 se
observa el acople del interruptor con una cadena de acero inoxidable que soporta el
armazón de la boya que es presentado en la figura 59 El acople del interruptor dentro
de su armazón es presentado en la figura 58, mientras el módulo completa se expone
en la figura 60.
Fig. 58 Armazón interruptor
Fig. 57 Acople interruptor
Fig. 59 Acople boya-armazón
66Fig. 60
Panel ubicación sensor de movimiento, temperatura y humedad
El elemento superior que comprende el armazón de ubicación de los sensores de
movimiento, para permitir el paso de los cables de información y alimentación y evitar el
contacto de estos con la población de la colmena, posee un canal interno al panel fue
creado. Para la elaboración del canal se usó una fresadora mecánica como se muestra
en la figura 61.
67Fig. 61 Mecanizado
La figura 62 expone el panel ensamblado y con los sensores ubicados sobre éste, para
impedir al contacto de las abejas con los sensores se dispuso una malla de separación.
Fig. 62 Panel ubicación de sensores
Módulo de conteo de población
Al principio de este capítulo se presentó la pieza de la pared posterior del módulo de
conteo de población con los orificios dispuestos para los ductos de acceso (figura 55);
sin embargo, la pared posterior requirió de un ajuste adicional, éste consistió en el
mecanizado de un canal de sujeción para la parte frontal de la estructura; el
mecanizado se realizó con una fresadora mecánica como se evidencia en la figura 63.
68Fig. 63
Finalmente en la figura, se presenta el módulo completo. Para el adecuado
funcionamiento de este módulo se requirió del diseño de tres tarjetas de conexiones
que se encuentran al interior del módulo, el desarrollo de esta etapa se expone en la
siguiente sección.
Fig. 64 Armazón módulo conteo de población
3.7 ELABORACIÓN DE TARJETAS DE CONEXIÓN
En esta sección se describe el diseño e implementación de varias tarjetas de
conexiones complementarias necesarias para los periféricos o PCB (Printed Circuit
Board, por sus siglas en inglés). Los diseños fueron realizados sobre el software
KiCAD, el cual es un entorno para el diseño de circuitos eléctricos.
69Se presentan los diseños sobre el software y una vista preliminar de la disposición de
los elementos, finalmente las tarjetas de conexiones y la disposición de los elementos
sobre ellas.
Tarjeta de conexiones principal
Esta tarjeta se ubica en la caja de mando del módulo. La figura 65, muestra el
esquemático elaborado en KiCAD, esta tarjeta realiza la comunicación entre la CHB y
los periféricos, permitiendo su organización para la disposición de los periféricos en la
caja de mando y en la colmena.
Fig. 65 Esquemático tarjeta de conexiones principal
En la figura 66 se muestra la vista preliminar del diseño.
70Fig. 66 PCB tarjeta de conexiones principal
Fig. 67 Vista preliminar tarjeta de conexiones principal
La figura siguiente presenta la tarjeta ya elaborada.
71Fig. 68 Tarjeta de conexiones principal
Tarjeta de conexiones para el conteo de población.
Para este sub-módulo se desarrollaron dos tipos de tarjetas de conexiones, la primera
agrupa las señales provenientes de los sensores dispuestos en dos de los accesos, por
tal motivo se requieren dos de estas tarjetas y otra tarjeta que agrupa las señales
provenientes de las tarjetas anteriormente mencionadas y se comunica con el cable de
datos que lleva la información a la CHB y posee el conector de alimentación.
La vista preliminar de la ubicación de los elementos de la tarjeta se pude ver de la figura
69 a 72.
Fig. 69 PCB tarjeta de conexiones conteo de población
72Fig. 70 Vista preliminar tarjeta de conexiones conteo de población
Fig. 71 PCB tarjeta de conexiones conteo de población con la CHB
73Fig. 72 Vista preliminar tarjeta de conexiones conteo de población con la CHB
Después de ubicar los elementos en la tarjeta, las figuras 73 a 75 muestran el resultado
del proceso.
Fig. 74 Tarjeta de conexiones conteo de población
Fig. 73 Tarjeta de conexiones conteo de población con la
CHB
74Fig. 75 Disposición de las tarjetas de conexión en el módulo de conteo de población.
4. INTEGRACIÓN
En este capítulo se expone el ensamble y ubicación final de cada uno de los elementos
presentados en capítulos anteriores que dan forma al Módulo de Monitoreo Apícola.
Partimos de los armazones de ubicación de los sensores y cómo estos son dispuestos
dentro de la colmena; explicamos cómo las señales de cada uno de los sensores es
llevada a la PCB principal y a su vez a la CHB para su procesamiento; exponemos
cómo la información es procesada y registrada dentro de un archivo de texto plano y la
forma en que éste puede ser transferido a una memoria USB o leído para mostrar la
información sobre la pantalla de cristal líquido; finalmente se muestra la estructura
principal de programa que se encarga de ejecutar todas las tareas mencionadas
anteriormente.
4.1 DISPOSICIÓN DE LOS ARMAZONES DENTRO DE LA COLMENA
75Posteriormente al mecanizado y ensamble de cada uno de los armazones (capítulo 3),
éstos son ubicados en la colmena como se muestra a continuación.
Módulo detección de nivel mínimo
En la figura 76 se presenta el diseño módulo de detección de nivel mínimo dentro del
tanque de alimentación y la implementación final.
Fig. 76 Modelo CAD módulo de detección nivel mínimo
La disposición del módulo para detección de nivel de suministro del tanque de
alimentación se puede apreciar en la figura siguiente.
Fig. 77 Disposición en la colmen del módulo de detección nivel mínimo
76Panel ubicación sensor de movimiento, temperatura y humedad
En las figuras 78 y 79 se expone el diseño del panel dentro de la colmena y la
implementación final.
Fig. 78 Diseño CAD panel de ubicación de sensores en la colmena
Fig. 79 Vista isométrica modelo CAD colmena con módulos de sensado.
77Fig. 80 Colmena con módulos de sensado incorporados.
En las figuras anteriores se observa tres de cuatro orificios sobre un costado de la
colmena, éstos sirven de acceso a la colmena así como soporte para los conductos de
acceso, en la sección siguiente se profundiza al respecto.
Módulo de conteo de población
Como se observa en la figura 81, el diseño y la disposición del módulo de conteo de
población es finalmente ubicado sobre la colmena, en la figura 82 se observa además
las conexiones que van a la parte posterior de la colmena que transmiten la información
a la Chumby Hacker Board.
Fig. 81 Diseño CAD para la ubicación del módulo de conteo de población
78Fig. 82 Módulo conteo de población
Sensor de Apertura
En la figura 83 se muestra la conexión del sensor dispuesto en el cuerpo de la colmena.
El sensor dispuesto en la parte externa de la colmena, una de sus piezas ajustada a la
tapa y la otra pieza, la cual envía la información, dispuesta en el cuerpo de la colmena.
Fig. 83 Conexión sensor de apertura.
79Fig. 84 Sensor de apertura dispuesto en la colmena.
Caja de Mando
A continuación se presenta la caja de mando del Módulo de Monitoreo Apícola, donde
se encuentra el núcleo para el procesamiento de la información (sistema embebido
CHB). La información llega al sistema embebido a través de la tarjeta principal de
conexiones. En la figura 85 se observa las conexiones internas, la CHB, la tarjeta de
conexiones, la pantalla de cristal líquido y los cables provenientes de cada sensor.
Fig. 85 Interior de la caja de mando
En la figura 86 se presenta el exterior de la caja de mando, sobre ella la pantalla de
cristal líquido, un potenciómetro que permite variar el contraste y posee un indicador
luminoso de alarma, en caso de una “sacudida” considerable sobre la colmena.
80Fig. 86 Caja de mando
4.2 ARQUITECTURA SOFTWARE
En esta sección se presenta el desarrollo en software dedicado a la interacción del
usuario con el módulo. También se expone el componente de software que engrana
cada sub-módulo, etapa y periférico para el completo funcionamiento del Módulo de
Monitoreo Apícola.
Generación de archivo y escritura
Para poder llevar la información adquirida por el módulo, es necesario almacenar los
datos de forma organizada en un archivo de texto.
Después de seleccionar la ubicación de la carpeta que contiene el archivo con los datos
adquiridos por los sensores. Se ejecuta el siguiente comando:
sudo mkdir /mnt/ramdisk
Este comando crea el directorio donde se genera la carpeta. Ahora para crear el disco
RAM temporal siempre en consola:
sudo mount -t tmpfs -o size=4m none /mnt/ramdisk
Creando una carpeta llamada ramdisk dentro de la carpeta mnt, correspondiente al
espacio donde va a ir la RAM.
Donde size=4m se refiere al tamaño en Mb, en este caso de 4Mb para evitar daños en
la memoria microSD de la Chumby Hacker Board.
touch /mnt/ramdisk/registroColmenaGMUN.txt
81El comando anterior crea el archivo llamado registroColmenaGMUN, que se encuentra
ubicado en la carpeta generada anteriormente y en el cual se almacenan los datos
adquiridos.
Las líneas de comando descritas anteriormente forman parte de un script que al iniciar
el sistema crea la carpeta.
Descarga de archivos en Memoria USB
Una vez creado el archivo de registro de la colmena, éste puede ser copiado a una
memoria USB a través de los siguientes comandos:
#Mkdir –p /mnt/memoria
#mount /dev/sda1 /mnt/memoria/
Los comandos anteriores crean un directorio donde es montada la memoria USB.
#cp cp /mnt/ramdisk/registroColmenaGMUN.txt /mnt/memoria/registroColmenaGMUN
Finalmente el archivo es copiado en la memoria USB usando el comando anterior
propio de GNU/Linux.
Visualización
Con los controladores de cada uno de los sensores necesarios en el módulo, el
controlador de la LCD y teclado, capítulo 3. Se desarrolló una interfaz más amigable
con el usuario, la cual le permite visualizar en campo el estado de la colmena, ejecutar
la descarga de la información a la memoria USB, y de ser necesario ajustar la fecha y
apagar el modulo.
En la figura 87 y 88, se muestra la interfaz generada, el control para desplazarse sobre
las diferentes opciones se da con el teclado USB.
82Fig. 87 Pantalla inicial del menú Fig. 88 Continuación menú
Cuando es necesario ajustar la fecha debe seleccionarse la opción 4, desplegando en
la pantalla el modo de ajuste. Para ingresar la fecha se ingresa el mes, seguido del día,
hora, minuto y año. Para salvar los cambios se oprime la tecla ENTER.
Para la visualización del estado de la colmena se debe seleccionar la opción 1, en la
pantalla principal. Como se ve en la figura 89, se visualiza el estado general del Módulo;
además es posible ver que la fecha y hora ya han sido cambiados.
Fig. 89 Pantalla que registra el estado de la colmena
Como se ha mencionado en apartados anteriores, es posible descargar la información a
una memoria USB, para ello en la pantalla principal se debe seleccionar la opción 2,
que al completar la descarga despliega en pantalla el mensaje que indica que es
posible retirar la memoria
Existe la posibilidad, que por cuestiones de mantenimiento sea requerido el apagado
del sistema, con la opción 5, en la pantalla principal, se está dando el comando halt de
Linux utilizado para “bajar” el sistema de forma ordenada. Una vez se despliega el
mensaje, figura 90, es posible desconectar la alimentación del módulo con seguridad.
83Fig. 90 Pantalla para el apagado del sistema.
Main
En secciones anteriores se ha explicado cómo se realiza la adquisición de la
información, a partir de esa información cómo se genera un archivo de texto y como
esta misma información se despliega en una pantalla LCD. Además el proceso para la
descarga de los archivos generados a una memoria USB, cada uno de forma casi
independiente. Ver figura 91.
Lectura
elementos
de medida
Main
Almacena- Generación
miento TXT
Visualización
LCD
Fig. 91 Estructura Main del Módulo de Monitoreo Apícola
84Para dar orden a todas estas tareas es imprescindible incluir una pieza de código que
sea el eje de ejecución del sistema, este es el main
En nuestro caso el main hace el llamado por separado a cada uno de los controladores
de los sensores. Posteriormente realiza un llamado al controlador de 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.
5. PRUEBAS Y RESULTADOS
El Módulo de Monitoreo Apícola fue ensamblado y dispuesto sobre una colmena
apícola para realizar pruebas en laboratorio. Anteriormente cada uno de los elementos
fue probado de forma individual; sin embargo, se realizaron prueba con todos los
elementos del sistema. El sistema tomó muestras continuamente de forma automática y
al mismo tiempo ejecutó las órdenes del usuario.
Fig. 92 Pruebas del módulo de monitoreo apícola. Sensor de movimiento activo
85Las cuatro salidas fueron probadas al tiempo, simulando el desplazamiento de varias
abejas en un instante dado. Todos los movimientos fueron satisfactoriamente
registrados. Al mismo tiempo que se realizaban las pruebas de simulación de ingreso y
salida de varias abejas, se modificaron los estados de los sensores de nivel, apertura y
movimiento. Cada evento fue registrado en el archivo de texto plano junto a la fecha y
hora en que ocurrió.
Como se vio en el capítulo anterior, la visualización desarrollada para estar en campo
responde a los comandos del teclado y el estado de la colmena se actualiza y presenta
de manera satisfactoria, ver figura 89.
Por otra parte, diferentes memorias USB fueron usadas para transferir el archivo de
registro de información. Todas las memorias USB usadas durante la prueba contaban
ahora con un registro del estado de la colmena. Una prueba adicional que se realizó fue
la de verificar que un archivo con un registro previo no fuese sobrescrito por el actual, el
sistema al detectar que el archivo ya se encontraba en la memoria USB actualizaba las
últimas líneas de éste en lugar de eliminar la información residente. La figura 93,
muestra uno de los archivos generados por el módulo y que posteriormente se
descargó en una memoria USB.
86Fig. 93 Archivo generado por el Módulo de Monitoreo Apícola
El Módulo de Monitoreo Apícola con todos sus elementos dispuestos en la colmena se
muestra en la figura 94. La caja de mando se ubica al respaldo de la colmena.
87Fig. 94 Módulo de Monitoreo Apícola
886. RECOMENDACIONES PARA FUTUROS DESARROLLOS
Teniendo en cuenta los resultados obtenido en la implementación, se evidencia la
necesidad de realizar una evaluación entorno a la implementación desarrollada.
La medición del nivel del tanque de alimentación planteado permite alertar niveles bajos
del suministro de agua azucarada, antes de llegar a estados críticos del suministro. Es
posible mejorar la medición de esta variable midiendo continuamente el nivel real del
tanque. Sensores de distancia, como el Sharp GP2Y0D810Z0F, que es un sensor
infrarrojo que mide distancia, permiten tomar muestras continuas del nivel del tanque
sin entrar en contacto con el alimento, reduciendo cualquier riesgo de contaminación.
El panel de ubicación de sensores al interior de la colmena cuenta con espacio
suficiente para albergar nuevos sensores, como parte de las mejoras de este proyecto,
es posible adicionar la adquisición de otras variables físicas, como CO2 o grabación de
sonidos dentro de la colmena, que resultaría información de gran valor en proyectos de
investigación en apicultura.
La Chumby Hacker Board permite el acople de sistemas de comunicación inalámbrica,
el módulo puede ser modificado de forma que la información adquirida se enviada a
través de Internet agregando hardware de modulación y software para transmisión de la
información.
Por otra parte, al módulo pueden adicionarse actuadores que utilicen las variables
sensadas como señales de control, permitiendo tomar acciones correctivas en la
colmena ante una alarma o estado crítico en su interior.
Se requiere un rediseño de la tarjeta principal de conexiones, dado que ésta fue
sobredimensionada para anidar conexiones de otros periféricos que finalmente no
fueron usados en el módulo. Las tarjetas de conexiones auxiliares usadas para el
módulo de conteo, pueden ser mejoradas de forma que no sólo incluyan conexiones,
sino que los sensores mismos se encuentren sobre éstas. En caso de que nuevo
hardware sea añadido para mejorar el conteo de población, éste también se puede
añadir a estas tarjetas de conexiones haciendo a esta parte del sistema más modular.
Tomando en cuenta la alimentación del módulo en general, en caso de que sea limitado
el suministro de energía por cualquier causa, un conjunto de baterías recargables
puede ser fácilmente adicionado a la caja de mando. La Chumby Hacker Board es
capaz de encargarse de la recarga de estas baterías cuando una fuente de
alimentación externa es conectada al módulo.
897. ANEXOS
90ANEXO A
911 2 3 4
Please see hte HDK ilcense agreement for terms of use athttp://www.chumby.com/legal/developer
A A
U_lcd U_audio
lcd.SchDoc audio.SchDoc
U_power_boot U_cpu U_memory
B power_boot.SchDoc cpu.SchDoc memory_dw.SchDoc B
U_usb U_misc_io
usb.SchDoc misc_io.SchDoc
Legacy section for squishy compatibility
C U_chumby_classic C
chumby_classic.SchDoc
U_crypto
92crypto.SchDoc
Copyright 2010 Chumby Industries
D Title Falconwing OEM v1 -- bunnie@chumby.com D
(R) Size Number Revision
A
Date: 8/16/2010 Sheet of
File: T:\falconwing_oem2\docmap.SchDoc Drawn By:
1 2 3 4
93,R5X
,V01
,Fu
1
,R5X
,V3.6 ,V01 ,V01 ,V01
,Fu33 ,Fu
,V01 ,V01 ,Fu10.0 ,Fu1.0 1
,Fu10.0 ,Fu1.0
,V01
,Fu ,V01 ,V01
1.0 ,R5X ,Fu10.0 ,Fu1.0
,R 5X ,V3.6 ,V01 ,V01
,V3.6 ,R5X ,V01 ,Fu 1 ,V01 ,Fu1.0 ,V , , 0V V 1 00 1 ,1 F u ,, FF 1uu 11 .0 0.0 ,Fu01 ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,V01 ,V01
,Fu33 ,Fu1.0 ,Fu1.0
,R5X
,R5X ,V01
,V01 ,V01 ,Fu ,V01 ,V01 ,Fu 1
,Fu10.0 ,V3.6 1 ,Fu10.0 ,Fu1.0
,Fu33
3 1B 21A
,V01
R107 C127 USB_D_P A1 USB_DP GPMI_D08 M3 LCD_D18 SSP1_DATA4 ,Fu1.0
,V3.6
,Fu33
,R5X
,V01
,Fu
1 ,R5X
,V01
,k01 ,Fu
,V01 1
,Fu10.0
,V01 ton
,Fu10.0 elbac
nehw
KRB
laires
,R7X ,R7X ,R7X ,R7X diova
,Fn 74 ,Fn 74 ,Fn 74 ,Fn 74 ,V01 ,Fu1.0 :OCE
,R5X
,V01 ,R5X
,Fu ,V01
1 ,Fu ,V01
1 ,Fu1.0
94
,V01
,Fu10.0
,V01
,Fu10.01 2 3 4 5 6
P2.5V ,R5X
J200 ,V3.6
C200 C201 C202 C203 C204 C205 C206 J201 ,V01 ,V01 ,V01 ,V01 ,V01 ,V01
J202 ,Fu01
J203 ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,Fu1.0
A J204 A
GND J205 test point (DNP)
test point (DNP)
test point (DNP)
test point (DNP)
P2.5V P2.5V test point (DNP)
test point (DNP)
U200
EME E E E E E EIM MM M M M M_DI II I I I I_ __ _ _ _ _QD DD D D D DM0 00 0 0 0 012 50 1 3 7 8 3 4 5 6 7 81 2 2 2 o h R Rm P P 2 2 0 0 3 2 1 1 1 1 11 1 94 3 2 16 5 0 D D DDD DD DD D DDD DD DR R RRR RR R_ _ ___ __ _D D DDD DD D0 0 000 00 0 i i iii ii i 1 1 1 10 1 2 35 61 2 3 7 8 94 VD V D D V DDV D V D DQ DS Q Q QSQD Q D Q QS S1 D 5 6 72D 0 D 3 4Q Q Q Q V VVV D D D D DD D DD DSV S Q Q Q Q QQ D DS Q QSS 1 1 1 1 11 QQ Q Q4 3 2 1 0S 9 85 66 6 56 5 56 6 6 5 5 513 2 80 9 76 5 4 6 5 4 i DDR_D1 ii ii i ii DDD DD DD DDD DD DD RRR RR RR ___ __ __ DDD DD DD 111 11 11 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 69 3 4 5 R P 2 0 2 42 o h m 16 578 4 3 2 E E EE E E E EM M MM M M M MI I II I I I I_ _ __ _ _ _ _D D DD D D D D1 11 1 1 0 1 Q5 43 1 2 9 0 S 1 P G 3 N . 3 D V C 207 S SS SS SS SSP PP PSS1 11 1SP_ __ _P1D DD D1_A AA A_C ST TT TM CA AA AKD2 03 1 t J e2 s10 t 6 p oin P t 3 (. D3 NV P ) 1 52 3 4 6 87 J 2 VD C C V D D0 C7 D M DA A ASL S T TT / D KDD 0 12 A T3 ,V01 ,Fu1.0
EMI_BA0 1 16 15 VDDQ VSSQ 52 EMI_A09 J208 Micro-SD (captive)
B E EE ME MEE EM ME MM EE EEE EEM I I_IM _MM MMM MM_ III CI C___ D _I II I LII IIDRC_ LC__ ___ __Q KB KQ DD AAA A AA AEM _A 00S _S 1 0S 000 0 N10 P0 3246 n1 0n 0n 763 5542 47 26 13 88 22 22 oo hh Rm P 2 0 P 1 2 . 5 V 111 111 11 1 111 1 99 4 03 6 14 22 01 5 5 3 DD DD D D D D D DD DD D D D D D RR RR R R R R R __ __ _ _ _ _ _ CC CC C C C C CD D TT DTT T T T T TD D LL LL L L L L LDR R D R _ _ D ii ii i ii i i _ D D R C0 0 _ T C Li i T L i i 3 321 1 332 2 2 2 2 2 2 21 1 2 396 7 100 2 3 4 6 7 88 H Y W A VAL A AAC B B AV L C R D 301 211 5D S A A DD A AE 3 0 D Q 0 1 M S S DD / ( UA S N P 1 C 2 ) 1 6 2 2 DU V U C TD VR V A AD CC PK Q AAA AA AE S S 1 1KKM -E 457 69 8 S2 1F SS J ( o r f3 33344 34 35 444 4 44 a s5 46847 70 91 569 2 18 t e Gr) MEM iiiiiiiii ii_ V DDDDDD D DDDDiR DDDDDD D DDDDE D R RRRRR R RRRRF D ______ _ ____ CCCCCCR C CCCC TTTTTK_ K TTTTD LLLLLLLLL i 1 D DD D DD R RR _ __ C CD K K1 _ _N P 1R 12 00 2 o 1 1 1 1 11 1h 0 2 3 5 69 1 4m , 1 G % N D 2 2 o h m 2 7 5 4 2 18 6 3 2 2o h 2m , oh m5 % , 5% E EE E E EE ER M2 MM M M MM M1 R0 I II I I II I2 _ __ _ _ __ _0 C AA A A AW A9 K 01 1 0 00E 52 1 7 48En EMI_A06 tes1 t p o i n t G N( D D N P ) B 102R %5 ,K74 402R %5 ,K74
m GND N D
C P2.5V RP200 C
R207
1k, 1%
C208 ,V01
MEM_VREF
,Fu1.0
R208 C211 ,V01
1k, 1%
• Route VREF with a 20–25 mil minimum trace toreduce inductance ,Fu1.0
• Maintain at least a 15–25 mil clearance from VREF to other adjacent traces
• Place a 0. 1µF capacitor between VREF and VDDQ
• Place a 0.1µF capacitor between VREF and VSSQ
GND • Decouple at each device or connector tominimize noise at each component
(Per Micron TN-46-14)
D Copyright 2010 ChumbyIndustries D
Title Falconwing OEM v1 -- bunnie@chumby.com
(R) Size Number Revision
B
Please see the HDK license agreement for terms of use at htp://www.chumby.com/legal/developer Date: 8/16/2010 Sheet of
File: T:\falconwing_oem2\memory_dw.SchDoc Drawn By:
1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6
U605
1 2 D GNV DD D _ I O S D S C A L / S/ SS D DP IO OC 11 134 2 II 22 CC __S SC DL A
GND 4 65 AI G A VN D DD D D R 0 I N T 1 / D I R N D T Y2 9 8 A D C e C v E i c L e _ I N a T d d r = 0x 1 D P 3 . 3 V V D D X T A L GND
A CS 10k, 5% (DNP) 1k, 5% A
P3.3V P 3 . 3 V S K R T L PA A E D0 1 0 0 R 6 0 3P O W E R 1R k6 , 0 52 % PSWITCH C600 C601 D600 100k, 5% C602 ,R5X ,V3.6 ,R5X ,V3.6 ,V01 ,V01
C603 C604 RSA5M (was: MMA7660) I2C_SDA I2C_SCL ,Fu01 ,V01 ,Fu1.0 ,Fu01 ,Fu1.0 ,Fu1.0
GND
GND
GND GND
Accelerometer
R610
B P3.3V C G 6 N 0 D9 1 5 4 KU X 6 I V G O 0 T ND V2 ED D D 9 D ( D N P S ) S I D N C A T L 1 9 7 0 A C C E L _ I N T P O W E R R 1 M 6 1 , 1 5 % R 1 V M 6 D 1 , D 2 5 % X T A L R 6 1 3 2 3 1 U S 8 6 V I I3 N 90 N s. 53 -9 s + 3 M 1 , o rO5 V % S UD 8 TD 9 5 3 0 4 5 V D D X T A CL 0 . 6 1 1 u 0 F , 1 0 V , X 5 R REMOTE_RESET B ,V01 ,Fu1.0 ,R5X
1M, 5%
C611 C612 ,V36. ,V01
GND P3.3V P3.3V R614 ,Fu3.3 ,Fu1.0
1M, 5%
P3.3V GND
P3.3V R605 R606
3.3k, 5% 3.3k, 5% GND
P3.3V
Device addr = 0xA8 GND
U601
G N D C 607 2 3 41 A A A G0 1 2 N D V SSW DC CC ALP 78 56 II 22 CC __ SS DCL A ,V01 ,Fu1.0
AT24C08B or IS24C08A
GND GND
DCID
C C
P3.3V P3.3V
P3.3V
P3.3V
Device addr = 0xA2 R616
U604 10k, 5%
G N D C 6 1 3 2 3 41 A A A G 0 1 2 N D V S S W DC C C A LP 8 7 56 II 22 CC _ _ S S DC L A R 0 6 o 1 h 7 m (D N P ) J J 6 S 1 20 T 0 B 2B-EH-A (DNP) ,V01 ,Fu1.0
AT24C128B or IS24C128B
GND
GND
Hardware & auth ID EEPROM (16kbytes) GND
D Copyright 2010 ChumbyIndustries D
Title Falconwing OEM v1 -- bunnie@chumby.com
(R) Siz e Number Revision
B
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1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6
A A
http://www.anythingbutipod.com/archives/2006/04/zen-vision-m-video-cable-other-4pole-35mm-pinouts.php
L700
H PR HPH _NZ 10 O58 T0 I5 ND 1 m5 2R-10 V ideo Out (CVBS)
B 0 0 oh HPV RI _D E_ MTO _ E X T 5 24 B
I 3
,R5X
HZL 07 0 1 HPL_EMI 1 VDAC1 V ID _ T O _E XT ,V01 ,V01
HPL 8 0 5 D 152 R-10 C700 C701 R700 V52 V52 ,Fu1.0 ,Fu mho 0 516R
1500 ohm 2.2K, 5% C605 C703 C704 47pF, NP0 ,R7X ,R7X 1
L702 GND GND C702 MIC ,Fn 3.3 ,Fn 3.3
GND GN DH P_VGND HZ0805D152R-10 J701 0.1uF, 10V, X5R
1500 ohm 1 P700
JS7o0ld2er pad 1 ot
1 2 dnuorg
Solder pad EWIG 1.25T-2-2PWB
P3.3V ratS
GND
C C
R701
560k, 5%
H P _ N O T IN R702 1 Q700
200k, 5% MMBT3906
HP_DETECT
R703
47k, 5%
GND
D Copyright 2010 ChumbyIndustries D
Title Falconwing OEM v1 -- bunnie@chumby.com
(R) Size Number Revision
B
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File: T:\falconwing_oem2\audio.SchDoc Drawn By:
1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6
P5.0V P3.3V
P5.0V
C209 C210 ,V01 ,V01
P200 P3.3V
A GND P3.3V C H V UI MD I IU U 2 2_S S C C BTB B _ _ YOC C S S __ C D1 1 BE_ _ L A EXN P N T D 1 3 5 7 9 1 1 1 1 1 3 5 7 1 1 1 1 1 2 4 6 8 0 2 4 6 8 G G G G G G G GP P P P P P P P OM M M M M M M M SI I I I I I I I C_ _ _ _ _ _ _ _D D D D D D D D _T0 0 0 0 0 0 0 0 O0 1 2 3 4 5 7 6 _FM GG G G G G G G PP P P P P P P MM M M M M M M II I I I I I I __ _ _ _ _ _ _ DD D D D D D D 00 0 0 0 0 0 0 60 1 2 3 4 5 7 P400 C402 C403 LCD_ENABLE 1 R 04 K0 ,0 5 % A ,Fu1.0 ,Fu1.0 ,R5X ,V01 ,Fu 1 ,V01 ,Fu1.0
Header 9X2 P401 5 4 LC D_E NAB LE _ T
BV DDPA _5 5. G0 Vr V N d P D3u . 3Vi L L L L L L Ln C R C C C CRo D D D DDAA DD_ _ _ __ R Y X XYCCS E P P MM10S _ h E ET Xi _e Tl i d P HHP4 4 ee4 5 6 1 2 3 4 5 61 2 3C 0 0 aa 3 4l dd eeu G rr N s 66 D t e r V D L L L L L D D LO P LCL LD W C C C C CCCC C H U USA* D D DD DDDD D CU A AMlo __ _ _ _ __ ___ R RMw 2TT T T T TT TTT T T B O_ _ _ _ __ ___ c _ _ G B B BB BG BG Yu _ T R r 3 05 4 2 1F 02 1 _ Xr X M e B n E t N r e Df o P HHP n 4 453 4 e7 e 1 2 3 4 5 6 7 81 2 8l 6y 0 0 a 2 5 dd ee rr 88 V D CGD oN n_ D R 1 f5 ik 4 gV ,0 6 5 r% D 4 as0 4 PP IO5. 0 R 1V k4 ,0 7 5% D 4 05 D402 D400 D403 D401 PL 3R .3A VD C1 Header 2 GND LL L L L LL L L L CI C E C CC C R C N LL L L LL L LLDD DD D DD D A E CC C C CC C CC _D _ __ _ __ _ 1 DD D D DD D DDC A VW E DX X C _ __N _ _ _S _ _ __ SM P O I1 R N TT T T TT T TT Y A_ T _ __ _ _ __ _ __ LE NB CE GG GR B B BR R X L C L 03 5 3 11 4 25 T E K _ T_ T H 134 1 1 1 1 e2 23 3 2 2 24 3 3 9 7 5 3 1 a953 7 5 3 13 13 1 9 7 51 9 7 d e r 234 1 1 1 12 23 3 3 2 24 4 3 1 064 8 6 4 24 24 2 0 8 62 0 8 0 8 6 4 2 2 2 X 2 LLL L L L L LLL L L L CCE C C C C CCC C C C LL L LL D DDD D D D DDD D D D IC C CR _ _N __ _ _ _ ___ _ _ _ D D DA TK TR T T T THR T T T E D ___ _ _ _ _ __ _ _ _ ES S1 GY Y D G GR R R B B B_ S YC _ i 14E 2 0 5 3 4 2 0M P E I0 N N TT C R _ G _ i N T D V P 3D . 3D V A V G D N D D A C 4 0 5 L L L L L C C C C C L L L L L L L L L L L L L D D D D D C C C C C CC C C C C C C LL _ _ _ _ _ D D D D D DD D D D D D DCC D D D H V D _ _ _D _ _ __ _ _ _ _ _ _1 0 0S S D D D D D DD D D D D D D2 6 0__ Y Y _ _ _1 1 1D 0 0 01 1 0 0 0 0 0D iN N i i5 4 3 9 8 71 0 5 4 3 2 1 11 _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _C C 67 i i i i i ii i i i i i i 8 65 57 7 8 6 7 86 5 77 8 56 7 8 2 2 2 22 2 2 2 2 2 / / / //R R R RR P P P P P R R R R R P P P P P 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 3 1 423 4 23 2 1 4 4 3 2 14 2 1 3 2 1 L L L L LL CC C C CC LL L L L LLL L L L L L L D D D D DD CC C C C CC C C CCC C C_ _ _ _ __ D D D DDD D D D DDD D DT T T T TT _ _ _ __ _ _ ___ _ _ _ ____ _ __ R R R T T T TR TT T T T THV R T TR _ _ _ _ 4 3 2 _1 _ _ _ _ __ _05SS B B B B GG G G B BG G YY 25 4 32 1 05 4 3 1 0NN CC __ TT B thg 2 004PR PR/051 ,V01 ,Fu1.0
a 6 3
u e G
GPMI_RDY0 FDN327N
GND 4R 74 k0 ,8 5 % LCD_RESET_i 22/RP RP406 LCD_RESET_i 704PR
VDDA R402
GND 47k, 5% PR/k01
C C410 GND C ,V01
LCD_DET
,Fu1.0
R401
GND P3.3V 47k, 5%
C406 ,V01
L4 0 0 R 106 k0 ,9 ,Fn
5 % 1
22uH Sumida CDRH5D28R-220NC SW400 GND Panasonic EVQQ7 D
GPMI_CE0n A C GPMI_WRn
VDD_5ISH U400 J401 CHUMBY_BENDE COM1 6 5 4 V V CI O TN U R LT GNS FW D B 1 2 3 LED_L KE D_A C40te 0s1 t point (DNP) C408 C608 G GN ND D1 2 C CO OM M2 3 C407 C401 R404 SP6699EK-L/TR ,R5X ,V3.6 R7X ,V05 ,Fu22.0 ,V01 ,V01 ,V01 ,Fn 1
0 ohm R 104 .0 05 , 1% GND ,Fu01 ,Fn 1 ,Fn 1
C404 J402 GND
GND test point (DNP) GND
R403 GND
D PWM2 PWM2 3.3k, 5% G N D GND Copyright 2010 ChumbyIndustries D
pull down to ensure display off when VCC first applied GND C409 Title Falconwing OEM v1 -- bunnie@chumby.com ,V01
,Fn
GND (R) Size Number Revision 1
thP eH4 e 0 a6 d er D2 GND DB
Please see H K license agreement for terms of use at htp://www.chumby.com/legal/developer at e: 8/16/2010 Sheet of
File: T:\falconwing_oem2\lcd.SchDoc Drawn By:
1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6
Ground test points
J304
1 P3.3V Boot Modes
test point (DNP)
A A
R300
J305 47K, 5%
5V DC @2A peak +/-5% te s1 t p o i n t ( D N P ) R 4 7 3 K0 1 , 5 % (D N P ) P3 . 3V % )PND ( % )PND ( % %
Resistor boot LeCnDab_lReS _i IME 203R 5 ,K74 303R 5 ,K74 403R 5 ,K74 503R 5 ,K74
200 ohm @ 100 MHz, 1-turn ferrite core required on cable for EMC J306
1 J300 J301
JP300 2 test point (DNP) 1 1
13 R A W _ P 1 W R L 3 0 0 2 1 L 3 0 4 2 E M I _ P W R F 3 0 0 V D D _ 5 V B O O T 5 L C D _ D 0 5 _ i t e s t p o i n t ( D N P ) t e s t p o Ji 3n 0t 2( D N P ) J303
CUI PJ-045H BLM18PG121 BLM18PG121 MF-MSMF200 C300 BOOT 4 LCD_D04_i 1 1
D RS30 A0 5 M C 3 1 3 C 3 0 1 4 . 7 u F , 1 0 V , X 5 R t e st1 p o i n t ( D N P ) B O O T 3 L C D _ D 0 3 _ i test point (DNP) test point (DNP) ,R7X
4 . 7 u F , 1 0 V , X 5 R
rinE M anI_ dG N fillD R K3 2 5 B BO OO OT 2 L LC CD D_ _D D0 02 1_ _i ,Fp0022
Use EMI_GND for isolation g 1 , 5 % D S K3 0 3 1 4 T 1 i B C302 1 L 3 0 1 2 BOOT 0 LCD_D00_i B BLM18PG121 ,V01 ,Fu1.0 )PND( )PND(
Boot modes:
GND %5 %5 %5 %5 %5 %5
0000 USB 603R ,K74 703R ,K74 803R ,K74 903R ,K74 013R ,K74 113R ,K74
0001 I2C Master
0010 SPI FLASH 1 master
0011 SPI FLASH 2 master
0100 NAND
0110 DEBUG Set toSD/MMC 1
1001 SD/MMC 1
1010 SD/MMC 2
L305 PRE_5.0V bypass switch for cost-down
1 2 J309 L303
VDD_5V BLM18PG121 (DNP) 1 1 2
B L M 1 8 P G 1 2 1 (D NP)
t e s t p o i n t ( D N P )
C P3.3V C
4.5V to trip R315 Q300 P5.0V J310
0.8V threshold 1R 0 3 0 2 k 0 , 1 % 1 R 0 3 k 2 , 1 5 % 1 U 3 0 1 8 P R E _ 5 . 0 V 1 0 k , 5 % U S B _ P W R E N 65 4 ROV 1Ni n , C/, OR 1 F1 F VV o o u u t t ,, RCC 2 11 2 13 R 1 k3 ,1 6 5 % t e s1 t point (DNP)
(0.735-0.775V) 2 STAT IN1 7 FDG6331L R 203 k2 ,2 1 % R 3 2 3 43 VEN SN S O IU NT 2 56 1C 03 01 u0 F , 1 0 V , V S D C 3 0 9 R319 ,V01 ,Fu1.0
402, 1% ILIM GND 1k, 5% GND
TPS2113A
GND
GND GND
C308 GND
GND
1 uF, 16V, X5R, 20%
GND
D D
Title FC alconi wh in g2 0 O1 E0 M C vh 1 -- b buI nd nie@i chu mby.com
(R) Siz e Number Revision
B
Please see the HDK license agreement for terms of use at htp://www.chumby.com/legal/developer Date: 8/16/2010 Sheet of
File: T:\falconwingoem2\power_boot.SchDoc Drawn By:
1 2 3 4 5 6,V01
,Fu1.0
T
,V01
,Fu1.0
BLM18PG121 C521 Y500 10k, 5%
,Fp ,Fp
-/+
8 8
V10.5 ,V01 ,V01 ,V01
DNG ,Fu10.0 ,Fu1.0 ,Fu1.0
,V3.6
,Fu33
DNGANEXO BDatasheet SHT1x (SHT10, SHT11, SHT15)
Humidity and Temperature Sensor
 Fully calibrated
 Digital output
 Low power consumption
 Excellent long term stability
 SMD type package – reflow solderable
Product Summary
SHT1x (including SHT10, SHT11 and SHT15) is Each SHT1x is individually calibrated in a precision
Sensirion’s family of surface mountable relative humidity humidity chamber. The calibration coefficients are
and temperature sensors. The sensors integrate sensor programmed into an OTP memory on the chip. These
elements plus signal processing on a tiny foot print and coefficients are used to internally calibrate the signals
provide a fully calibrated digital output. A unique from the sensors. The 2-wire serial interface and internal
capacitive sensor element is used for measuring relative voltage regulation allows for easy and fast system
humidity while temperature is measured by a band-gap integration. The tiny size and low power consumption
sensor. The applied CMOSens® technology guarantees makes SHT1x the ultimate choice for even the most
excellent reliability and long term stability. Both sensors demanding applications.
are seamlessly coupled to a 14bit analog to digital
SHT1x is supplied in a surface-mountable LCC (Leadless
converter and a serial interface circuit. This results in
Chip Carrier) which is approved for standard reflow
superior signal quality, a fast response time and
soldering processes. The same sensor is also available
insensitivity to external disturbances (EMC).
with pins (SHT7x) or on flex print (SHTA1).
Dimensions Sensor Chip
SHT1x V4 – for which this datasheet applies – features a
version 4 Silicon sensor chip. Besides the humidity and
temperature sensors the chip contains an amplifier, A/D
1.0±
1.5 ±0.2 2.0 ±0.1 1.5 ±0.1 sensor opening 2.5 ±0.1 converter, OTP memory and a digital interface. V4 sensors
59.0
can be identified by the alpha-numeric traceability code on
1.0±
the sensor cap – see example “A5Z” code on Figure 1.
NC NC 6.0
1 NC Material Contents 50.0±
1.0±
2 A5Z NC 50.0± 72.1
While the sensor is made of a CMOS chip the sensor 2.4 XAM
74.7 2.0±
3 NC housing consists of an LCP cap with epoxy glob top on an 2.2
11 2.5
FR4 substrate. The device is fully RoHS and WEEE
4 NC 50.0±
compliant, thus it is free of Pb, Cd, Hg, Cr(6+), PBB and
38.1
PBDE.
3.3 ±0.1 2.6 MAX
Evaluation Kits
4.93 ±0.05 0.8 ±0.1
For sensor trial measurements, for qualification of the
sensor or even experimental application (data logging) of
the sensor there is an evaluation kit EK-H4 available
Figure 1: Drawing of SHT1x sensor packaging, dimensions in
including SHT71 (same sensor chip as SHT1x) and 4
mm (1mm = 0.039inch). Sensor label gives “11” for SHT11 as
sensor channels, hard and software to interface with a
an example. Contacts are assigned as follows: 1:GND, 2:DATA,
computer. For other evaluation kits please check
3:SCK, 4:VDD.
www.sensirion.com/humidity.Datasheet SHT1x
Sensor Performance
Relative Humidity Temperature
Parameter Condition min typ max Units Paamete Condition min typ max Units
0.4 0.05 0.05 %RH 0.04 0.01 0.01 C
Resolution 1 Resolution 1
8 12 12 bit 12 14 14 bit
Accuracy 2 typical ±4.5 %RH Accuracy 2 typical ±0.5 C
SHT10 maximal see Figure 2 SHT10 maximal see Figure 3
Accuracy 2 typical ±3.0 %RH Accuracy 2 typical ±0.4 C
SHT11 maximal see Figure 2 SHT11 maximal see Figure 3
Accuracy 2 typical ±2.0 %RH Accuracy 2 typical ±0.3 C
SHT15 maximal see Figure 2 SHT15 maximal see Figure 3
Repeatability ±0.1 %RH Repeatability ±0.1 C
Hysteresis ±1 %RH 40 123.8 C
Operating Range
Non-linearity linearized <<1 %RH 40 254.9 F
Response time 3 τ (63%) 8 s Response Time 6 τ 63% 5 30 s
Operating Range 0 100 %RH Long term dift < 0.04 C/y
Long term drift 4 normal < 0.5 %RH/yr
± 10 ± 3.0
± 2.5
± 8
S H T10
± 2.0 )HR%(
± 6
S H T1 1 )C°(
SHT10 ± 1.5
± 4 HR∆ T∆
SHT11 ± 1.0
± 2
SHT15 ± 0.5 S HT 15
± 0 ± 0.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Relative Humidity (%RH) Temperature (°C)
Figure 2: Maximal RH-tolerance at 25°C per sensor type. Figure 3: Maximal T-tolerance per sensor type.
Electrical and General Items Packaging Information
Parameter Condition min typ max Units Sensor Type Packaging Quantity Order Numbe
Source Voltage 2.4 3.3 5.5 V SHT10 Tape & Reel 2000 110021804
sleep 2 5 µW Tape & Reel 100 110005104
Power
measuring 3 mW SHT11 Tape & Reel 400 110009804
Consumption 5
average 90 µW Tape & Reel 2000 110052404
Communication digital 2-wire interface, see Communication Tape & Reel 100 110008504
SHT15
Storage 10 – 50°C (0 – 125°C peak), 20 – 60%RH Tape & Reel 400 110009304
This datasheet is subject to change and may be
amended without prior notice.
1 The default measurement resolution of is 14bit for temperature and 12bit for 4 Value may be higher in environments with high contents of volatile organic
humidity. It can be reduced to 12/8bit by command to status register. compounds. See Section 1.3 of Users Guide.
2 Accuracies are tested at Outgoing Quality Control at 25°C (77°F) and 3.3V. 5 Values for VDD=3.3V at 25°C, average value at one 12bit measurement
Values exclude hysteresis and are applicable to non-condensing environments per second.
only. 6 Response time depends on heat capacity of and thermal resistance to
3 Time for reaching 63% of a step function, valid at 25°C and 1 m/s airflow. sensor substrate.Users Guide SHT1x
1 Application Information
1.1 Operating Conditions IMPORTANT: After soldering the devices should be stored
Sensor works stable within recommended normal range – at >75%RH for at least 12h to allow the polymer to re-
see Figure 4. Long term exposures to conditions outside hydrate. Otherwise the sensor may read an offset that
normal range, especially at humidity >80%RH, may slowly disappears if exposed to ambient conditions.
temporarily offset the RH signal (+3 %RH after 60h). After Alternatively the re-hydration process may be performed at
return to normal range it will slowly return towards ambient conditions (>40%RH) during more than 5 days.
calibration state by itself. See Section 1.4 “Reconditioning
In no case, neither after manual nor reflow soldering, a
Procedure” to accelerate eliminating the offset. Prolonged
board wash shall be applied. Therefore it is strongly
exposure to extreme conditions may accelerate ageing.
recommended to use “no-clean” solder paste. In case of
application with exposure of the sensor to corrosive gases
100
or condensed water (i.e. environments with high relative )%(
80 humidity) the soldering pads shall be sealed (e.g. ytidimuH
egnaR
conformal coating) to prevent loose contacts or short cuts.
60
40 For the design of the SHT1x footprint it is recommended to .xaM
evitaleR
use dimensions according to Figure 7. Sensor pads are
20
coated with 35µm Cu, 5µm Ni and 0.1µm Au.
0
2.47
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 1.97
1.07
Temperature (°C)
Ø0.60 83.1
Figure 4: Operating Conditions
72.1
1.2 Soldering instructions
74.7 72.1
For soldering SHT1x standard reflow soldering ovens may 08.0
72.1
be used. The sensor is qualified to withstand soldering
profile according to IPC/JEDEC J-STD-020D with peak
temperatures at 260°C during up to 40sec including Pb-
free assembly in IR/Convection reflow ovens.
Figure 6: Rear side electrodes of sensor, view from top side.
TP t P
74.0
dleif
TL e
tL
siht 72.1
a
TS (max)
epmeT
16.4 ni 72.1 05.7
reppoc
72.1
oN
8.0
preheating critical zone
Time 1.8 3.48 1.8
Figure 5: Soldering profile according to JEDEC standard. TP <= 7.08
260°C and tP < 40sec for Pb-free assembly. TL < 220°C and tL <
Figure 7: R ecommended footprint for SHT1x. Values in mm.
150sec. Ramp-up/down speeds shall be < 5°C/sec.
For soldering in Vapor Phase Reflow (VPR) ovens the 1.3 Storage Conditions and Handling Instructions
peak conditions are limited to T < 233°C during t < It is of great importance to understand that a humidity
P P
60sec and ramp-up/down speeds shall be limited to sensor is not a normal electronic component and needs to
10°C/sec. For manual soldering contact time must be be handled with care. Chemical vapors at high
limited to 5 seconds at up to 350°C7. concentration in combination with long exposure times
may offset the sensor reading.
For these reasons it is recommended to store the sensors
in original packaging including the sealed ESD bag at
7 233°C = 451°F, 260°C = 500°F, 350°C = 662°F
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 33/11following conditions: Temperature shall be in the range of Furthermore, there are self-heating effects in case the
10°C – 50°C (0 – 125°C for limited time) and humidity at measurement frequency is too high. Please refer to
20 – 60%RH (sensors that are not stored in ESD bags). Section 3.3 for detailed information.
For sensors that have been removed from the original
packaging we recommend to store them in ESD bags 1.6 Light
made of metal-in PE-HD8. The SHT1x is not light sensitive. Prolonged direct
exposure to sunshine or strong UV radiation may age the
In manufacturing and transport the sensors shall be
housing.
prevented of high concentration of chemical solvents and
long exposure times. Out-gassing of glues, adhesive tapes
1.7 Membranes
and stickers or out-gassing packaging material such as
bubble foils, foams, etc. shall be avoided. Manufacturing SHT1x does not contain a membrane at the sensor
area shall be well ventilated. opening. However, a membrane may be added to prevent
dirt and droplets from entering the housing and to protect
For more detailed information please consult the
the sensor. It will also reduce peak concentrations of
document “Handling Instructions” or contact Sensirion.
chemical vapors. For optimal response times the air
volume behind the membrane must be kept minimal.
1.4 Reconditioning Procedure
Sensirion recommends and supplies the SF1 filter cap for
As stated above extreme conditions or exposure to solvent optimal IP54 protection (for higher protection – i.e. IP67 -
vapors may offset the sensor. The following reconditioning SF1 must be sealed to the PCB with epoxy). Please
procedure may bring the sensor back to calibration state: compare Figure 9.
Baking: 100 – 105°C at < 5%RH for 10h membrane o-ring
Re-Hydration: 20 – 30°C at ~ 75%RH for 12h 9.
housing
1.5 Temperature Effects
Relative humidity reading strongly depends on
temperature. Therefore, it is essential to keep humidity SHT1x
sensors at the same temperature as the air of which the
relative humidity is to be measured. In case of testing or
PCB
qualification the reference sensor and test sensor must
show equal temperature to allow for comparing humidity
Melted plastic pin
readings.
Figure 9: Side view of SF1 filter cap mounted between PCB and
If the SHT1x shares a PCB with electronic components
housing wall. Volume below membrane is kept minimal.
that produce heat it should be mounted in a way that
prevents heat transfer or keeps it as low as possible.
1.8 Materials Used for Sealing / Mounting
Measures to reduce heat transfer can be ventilation,
Many materials absorb humidity and will act as a buffer
reduction of copper layers between the SHT1x and the
increasing response times and hysteresis. Materials in the
rest of the PCB or milling a slit into the PCB around the
vicinity of the sensor must therefore be carefully chosen.
sensor (see Figure 8).
Recommended materials are: Any metals, LCP, POM
(Delrin), PTFE (Teflon), PE, PEEK, PP, PB, PPS, PSU,
PVDF, PVF.
For sealing and gluing (use sparingly): Use high filled
epoxy for electronic packaging (e.g. glob top, underfill),
A5Z
11 and Silicone. Out-gassing of these materials may also
contaminate the SHT1x (see Section 1.3). Therefore try to
add the sensor as a last manufacturing step to the
assembly, store the assembly well ventilated after
manufacturing or bake at >50°C for 24h to outgas
Figure 8: Top view of example of mounted SHT1x with slits
contaminants before packing.
milled into PCB to minimize heat transfer.
1.9 Wiring Considerations and Signal Integrity
Carrying the SCK and DATA signal parallel and in close
8 For example, 3M antistatic bag, product “1910” with zipper . proximity (e.g. in wires) for more than 10cm may result in
9 75%RH can conveniently be generated with saturated NaCl solution. cross talk and loss of communication. This may be
100 – 105°C correspond to 212 – 221°F, 20 – 30°C correspond to 68 – 86°F
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 44/11resolved by routing VDD and/or GND between the two 2.2 Serial clock input (SCK)
data signals and/or using shielded cables. Furthermore, SCK is used to synchronize the communication between
slowing down SCK frequency will possibly improve signal microcontroller and SHT1x. Since the interface consists of
integrity. Power supply pins (VDD, GND) must be fully static logic there is no minimum SCK frequency.
decoupled with a 100nF capacitor if wires are used.
Capacitor should be placed as close to the sensor as 2.3 Serial data (DATA)
possible. Please see the Application Note “ESD, Latch-up
The DATA tri-state pin is used to transfer data in and out
and EMC” for more information.
of the sensor. For sending a command to the sensor,
DATA is valid on the rising edge of the serial clock (SCK)
1.10 ESD (Electrostatic Discharge)
and must remain stable while SCK is high. After the falling
ESD immunity is qualified according to MIL STD 883E, edge of SCK the DATA value may be changed. For safe
method 3015 (Human Body Model at ±2 kV). communication DATA valid shall be extended T and T
SU HO
before the rising and after the falling edge of SCK,
Latch-up immunity is provided at a force current of
respectively – see Figure 11. For reading data from the
±100mA with T = 80°C according to JEDEC78A. See
amb
sensor, DATA is valid T after SCK has gone low and
Application Note “ESD, Latch-up and EMC” for more V
remains valid until the next falling edge of SCK.
information.
To avoid signal contention the microcontroller must only
drive DATA low. An external pull-up resistor (e.g. 10kΩ) is
2 Interface Specifications required to pull the signal high – it should be noted that
pull-up resistors may be included in I/O circuits of
Pin Name Comment microcontrollers. See Table 2 for detailed I/O characteristic
NC NC
1 GND Ground of the sensor.
1 NC
2 DATA Serial Data, bidirectional 2 A5Z NC
2.4 Electrical Characteristics
3 SCK Serial Clock, input only 3 NC
11
4 NC The electrical characteristics such as power consumption,
4 VDD Source Voltage
low and high level input and output voltages depend on
NC NC Must be left unconnected
the supply voltage. Table 2 gives electrical characteristics
Table 1: SHT1x pin assignment, NC remain floating. of SHT1x with the assumption of 5V supply voltage if not
stated otherwise.
2.1 Power Pins (VDD, GND)
Paamete Conditions min typ max Units
The supply voltage of SHT1x must be in the range of 2.4 –
Power supply DC10 2.4 3.3 5.5 V
5.5V, recommended supply voltage is 3.3V. Power supply
measuing 0.55 1 mA
pins Supply Voltage (VDD) and Ground (GND) must be
Supply cu ent average11 2 28 µA
decoupled with a 100 nF capacitor – see Figure 10.
sleep 0.3 1.5 µA
The serial interface of the SHT1x is optimized for sensor
Low level output
readout and effective power consumption. The sensor IOL < 4 mA 0 250 mV
voltage
cannot be addressed by I2C protocol; however, the sensor
High level output
can be connected to an I2C bus without interference with RP < 25 kΩ 90% 100% VDD
voltage
other devices connected to the bus. The controller must
Low level input
switch between the protocols. Negative going 0% 20% VDD
voltage
VDD GND
H igh level input
SHT1x Positive going 80% 100% VDD
v oltage
Input current on 1 µA PR Ωk01
(MoM ai tc srr to ell-
D SCAT KA o Tn 24 m µAA
C n o re )r A5Z O utput cu ent
ri -stated off 10 0
VDD 11
Table 2: SHT1x DC characteristics. RP stands for pull up
100nF resistor, while IOL is low level output current.
(Slave)
GND
2.4 – 5.5V
Figure 10: Typical application circuit, including pull up resistor 10 Recommended voltage supply for highest accuracy is 3.3V, due to sensor
calibration.
RP and decoupling of VDD and GND by a capacitor.
11 Minimum value with one measurement of 8bit resolution without OTP reload
per second. Typical value with one measurement of 12bit resolution per
second.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 55/11Absolute maximum ratings for VDD versus GND are +7V 3.2 Sending a Command
and -0.3V. Exposure to absolute maximum rating
To initiate a transmission, a Transmission Start sequence
conditions for extended periods may affect the sensor
has to be issued. It consists of a lowering of the DATA line
reliability (e.g. hot carrier degradation, oxide breakdown).
while SCK is high, followed by a low pulse on SCK and
For proper communication with the sensor it is essential to raising DATA again while SCK is still high – see Figure 12.
make sure that signal design is strictly within the limits
given in Table 3 and Figure 11. 80%
SCK
20%
TSCK
TSCKH TSCKL
TR T F
80% 80%
SCK DATA
20% 20%
TSU THO
Figure 12: "Transmission Start" sequence
DATA valid write DATA valid read
TV TRO
The subsequent command consists of three address bits
TFO
(only ‘000’ is supported) and five command bits. The
80%
DATA SHT1x indicates the proper reception of a command by
20%
pulling the DATA pin low (ACK bit) after the falling edge of
Figure 11: Timing Diagram, abbreviations are explained in the 8th SCK clock. The DATA line is released (and goes
Table 3. Bold DATA line is controlled by the sensor, plain DATA high) after the falling edge of the 9th SCK clock.
line is controlled by the micro-controller. Note that DATA valid
read time is triggered by falling edge of anterior toggle. Command Code
Reseved 0000x
Paamete Conditions min typ max Units Measure Tempe a e 00011
VDD > 4.5V 0 0.1 5 MHz Measure Relative Humidiy 00101
FSCK SCK equency
Read Status Registe 00111
VDD < 4.5V 0 0.1 1 MHz
Write Status Registe 00110
TSCKx SCK hi/low time 100 ns
Reseved 0101x1110x
TR/TF SCK rise/fall time 1 200 ns
Soft reset, resets the interface, clears the 11110
OL = 5pF 3.5 10 20 ns status register to default values. Wait minimum
TFO DATA fall time
11 ms before next command
OL = 100pF 30 40 200 ns
TRO DATA rise time ns T able 4: SHT1x list of commands
TV DATA valid time 200 250 ns 3.3 Measurement of RH and T
TSU DATA setup time 100 150 ns
After issuing a measurement command (‘00000101’ for
THO DATA hold time 10 15 ns relative humidity, ‘00000011’ for temperature) the
controller has to wait for the measurement to complete.
* TR_max + TF_max = (FSCK)-1 – TSCKH – TSCKL
This takes a maximum of 20/80/320 ms for a 8/12/14bit
** TR0 is determined by the RP*Cbus time-constant at DATA line
measurement. The time varies with the speed of the
*** TV_max and TSU_max depend on external pull-up resistor (RP) and total bus internal oscillator and can be lower by up to 30%. To
line capacitance (Cbus) at DATA line
signal the completion of a measurement, the SHT1x pulls
**** TH0_max < TV – max (TR0, TF0)
data line low and enters Idle Mode. The controller must
Table 3: SHT1x I/O signal characteristics, OL stands for Output wait for this Data Ready signal before restarting SCK to
Load, entities are displayed in Figure 11. readout the data. Measurement data is stored until
readout, therefore the controller can continue with other
tasks and readout at its convenience.
3 Communication with Sensor
Two bytes of measurement data and one byte of CRC
checksum (optional) will then be transmitted. The micro
3.1 Start up Sensor
controller must acknowledge each byte by pulling the
As a first step the sensor is powered up to chosen supply DATA line low. All values are MSB first, right justified (e.g.
voltage VDD. The slew rate during power up shall not fall the 5th SCK is MSB for a 12bit value, for a 8bit result the
below 1V/ms. After power-up the sensor needs 11ms to first byte is not used).
get to Sleep State. No commands must be sent before
that time.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 66/11Communication terminates after the acknowledge bit of 3.6 Status Register
the CRC data. If CRC-8 checksum is not used the Some of the advanced functions of the SHT1x such as
controller may terminate the communication after the selecting measurement resolution, end-of-battery notice,
measurement data LSB by keeping ACK high. The device use of OTP reload or using the heater may be activated by
automatically returns to Sleep Mode after measurement sending a command to the status register. The following
and communication are completed. section gives a brief overview of these features.
Important: To keep self heating below 0.1°C, SHT1x After the command Status Register Read or Status
should not be active for more than 10% of the time – e.g. Register Write – see Table 4 – the content of 8 bits of the
maximum one measurement per second at 12bit accuracy status register may be read out or written. For the
shall be made. communication compare Figure 14 and Figure 15 – the
assignation of the bits is displayed in Table 5.
3.4 Connection reset sequence
If communication with the device is lost the following signal 0 0 0 0 0 1 1 0 Status Register ST KCA 7 tiB KCA
sequence will reset the serial interface: While leaving
DATA high, toggle SCK nine or more times – see Figure
Figure 14: Status Register Write
13. This must be followed by a Transmission Start
0 0 0 0 0 1 1 1 Status Register Checksum ST KCA 7 tiB KCA 7 tiB KCA
resets the interface only. The status register preserves its
content.
Figure 15: Status Register Read
80%
SCK 1 2 3 4 - 8 9
Examples of full communication cycle are displayed in
20%
Figure 16 and Figure 17.
Transmission Start
DATA Wait for 0 0 0 Command 0 0 MSB ST KCA
20% DATA ready
Figure 13: Connection Reset Sequence
3.5 CRC Checksum calculation LSB Checksum bSL KCA KCA
The whole digital transmission is secured by an 8bit
checksum. It ensures that any wrong data can be detected Figure 16: Overview of Measurement Sequence. TS = Trans-
and eliminated. As described above this is an additional mission Start, MSB = Most Significant Byte, LSB = Last
Significant Byte, LSb = Last Significant Bit.
feature of which may be used or abandoned. Please
consult Application Note “CRC Checksum” for information
on how to calculate the CRC.
Transmission Start Address = ‘000’ Command = ‘00101’ Measurement
A2 A1 A0 C4 C3 C2 C1 C0 ACK (80ms for 12bit)
SCK
DATA A2 A1 A0 C4 C3 C2 C1 C0 ACK Sensor pulls DATA line low after
completion of measurement
Skip ACK to end transmission
Idle Bits MSb 12bit Humidity Data LSb (if no CRC is used)
15 14 13 12 11 10 9 8 ACK 7 6 5 4 3 2 1 0 ACK
SCK
DATA 15 14 13 12 11 10 9 8 ACK 7 6 5 4 3 2 1 0 ACK
MSb CRC-8 Checksum LSb Sleep (wait for next Transmission Start
7 6 5 4 3 2 1 0 ACK measurement)
SCK
DATA 7 6 5 4 3 2 1 0 ACK
Figure 17: Example RH measurement sequence for value “0000’0100“0011’0001” = 1073 = 35.50%RH (without temperature
compensation). DATA valid times are given and referenced in boxes on DATA line. Bold DATA lines are controlled by sensor while plain
lines are controlled by the micro-controller.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 77/11Bit Type Desciption Default (SO RH) with the following formula with coefficients given in
7 eseved 0 Table 6:
End of Battery (low voltage No default value,
detection bit is only updated RH = c + c ⋅ SO + c ⋅ SO 2 (%RH)
6 R X linear 1 2 RH 3 RH
‘0’ for VDD > 2.47 after a
‘1’ for VDD < 2.47 measuement
SORH c1 c2 c3
5 eseved 0
12 bit -2.0468 0.0367 -1.5955E-6
4 eseved 0
8 bit -2.0468 0.5872 -4.0845E-4
3 For Testing only, do not use 0
2 R/W Heate 0 off Table 6: V4 humidity conversion coefficients
1 R/W no reload from OTP 0 eload The values given in Table 6 are optimized coefficients for
’1’ = 8bit RH / 12bit Temp. V4 sensors. The parameter set for V3 sensors, which has
esolution 12bit RH been proposed in earlier datasheets, still applies and is
0 R/W 0
’0’ = 12bit RH / 14bit Temp. 14bit Temp. provided by Sensirion upon request.
esolution
Values higher than 99% RH indicate fully saturated air and
Table 5: Status Register Bits
must be processed and displayed as 100%RH13. Please
note that the humidity sensor has no significant voltage
Measurement resolution: The default measurement
dependency.
resolution of 14bit (temperature) and 12bit (humidity) can
be reduced to 12 and 8bit. This is especially useful in high 100%
speed or extreme low power applications. 80% ytidimuH
End of Battery function detects and notifies VDD voltages 60%
below 2.47V. Accuracy is ±0.05V. 40%
evitaleR
20%
Heater: An on chip heating element can be addressed by
0%
writing a command into status register. The heater may
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
increase the temperature of the sensor by 5 – 10°C12
SO sensor readout (12bit)
beyond ambient temperature. The heater draws roughly RH
8mA @ 5V supply voltage. Figure 18: Conversion from SORH to relative humidity
For example the heater can be helpful for functionality
4.2 Temperature compensation of Humidity Signal
analysis: Humidity and temperature readings before and
after applying the heater are compared. Temperature shall For temperatures significantly different from 25°C (~77°F)
increase while relative humidity decreases at the same the humidity signal requires temperature compensation.
time. Dew point shall remain the same. The temperature correction corresponds roughly to
0.12%RH/°C @ 50%RH. Coefficients for the temperature
Please note: The temperature reading will display the
compensation are given in Table 7.
temperature of the heated sensor element and not
ambient temperature. Furthermore, the sensor is not RH = ( T − 25)⋅ ( t + t ⋅ SO ) + RH
true °C 1 2 RH linear
qualified for continuous application of the heater.
OTP reload: With this operation the calibration data is SORH t1 t2
uploaded to the register before each measurement. This 12 bit 0.01 0.00008
may be deactivated for reducing measurement time by 8 bit 0.01 0.00128
about 10ms.
Table 7: Temperature compensation coefficients14
4.3 Temperature
4 Conversion of Signal Output
The band-gap PTAT (Proportional To Absolute
Temperature) temperature sensor is very linear by design.
4.1 Relative Humidity
For compensating non-linearity of the humidity sensor –
see Figure 18 – and for obtaining the full accuracy of the
sensor it is recommended to convert the humidity readout 13 If wetted excessively (strong condensation of water on sensor surface),
sensor output signal can drop below 100%RH (even below 0%RH in some
cases), but the sensor will recover completely when water droplets
evaporate. The sensor is not damaged by water immersion or condensation.
12 Corresponds to 9 – 18°F 14 Coefficients apply both to V3 as well as to V4 sensors.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 88/11Use the following formula to convert digital readout (SO T) enough dwell time for the measurement shall be granted.
to temperature value, with coefficients given in Table 8: For detailed information please consult Application Note
“Qualification Guide”.
T = d + d ⋅ SO
The SHT1x sensor series were tested according to AEC-
1 2 T
Q100 Rev. G qualification test method. Sensor
VDD d1 (°C) d1 (°F) SOT d2 C d2 specifications are tested to prevail under the AEC-Q100
temperature grade 2 test conditions listed in Table 1016.
5V -40.1 -40.2 14bit 0.01 0.018
Sensor performance under other test conditions cannot be
4V -39.8 -39.6 12bit 0.04 0.072
guaranteed and is not part of the sensor specifications.
3.5V -39.7 -39.5
Especially, no guarantee can be given for sensor
3V -39.6 -39.3 performance in the field or for customer’s specific
2.5V -39.4 -38.9 application.
Table 8: Temperature conversion coefficients15. Please contact Sensirion for detailed information.
4.4 Dew Point Envi onme anda d Results17
SHT1x is not measuring dew point directly, however dew HTSL 125°C, 1000 hous Within
point can be derived from humidity and temperature specifications
readings. Since humidity and temperature are both TC -50°C - 125°C, 1000 cycles Within
measured on the same monolithic chip, the SHT1x allows Acc. JESD22A104C specifications
superb dew point measurements. UHST 130°C / 85%RH / ≈2.3ba, Within
96h specifications
For dew point (T ) calculations there are various formulas
d
to be applied, most of them quite complicated. For the THU 85°C / 85%RH, 1000h Within
specifications
temperature range of -40 – 50°C the following
approximation provides good accuracy with parameters ESD immunity MIL STD 883E, method 3015 Qualified
(Human Body Model at ±2k
given in Table 9:
Latchup force current of ±100mA with Qualified
ln R H  m ⋅ T Tamb = 80°C, acc. JEDEC 17
+
 100%  T + T
T ( RH,T ) = T ⋅ n Table 10: Qualification tests: HTSL = High Temperature Storage
d n  RH  m ⋅ T Lifetime, TC = Temperature Cycles, UHST = Unbiased Highly
m − ln  − accelerated Stress Test, THB = Temperature Humidity Unbiased
 100%  T + T
n
Temperature Range Tn C m 6 Packaging
Above water, 0 – 50 C 243.12 17.62
Above ice, -40 – 0 C 272.62 22.46 6.1 Packaging type
SHT1x are supplied in a surface mountable LCC
Table 9: Parameters for dew point (Td) calculation.
(Leadless Chip Carrier) type package. The sensor housing
Please note that “ln(…)” denotes the natural logarithm. For consists of a Liquid Crystal Polymer (LCP) cap with epoxy
RH and T the linearized and compensated values for glob top on a standard 0.8mm FR4 substrate. The device
relative humidity and temperature shall be applied. is fully RoHS and WEEE compliant – it is free of Pb, Cd,
Hg, Cr(6+), PBB and PBDE.
For more information on dew point calculation see
Application Note “Introduction to Humidity”. Device size is 7.47 x 4.93 x 2.5 mm (0.29 x 0.19 x 0.1
inch), see Figure 1, weight is 100 mg.
5 Environmental Stability 6.2 Traceability Information
All SHT1x are marked with an alphanumeric, three digit
If sensors are qualified for assemblies or devices, please code on the chip cap (for reference: V3 sensors were
make sure that they experience same conditions as the labeled with numeric codes) – see “A5Z” on Figure 1. The
reference sensor. It should be taken into account that lot numbers allow full traceability through production,
response times in assemblies may be longer, hence
16 Sensor operation temperature range is -40 to 105°C according to AEC-Q100
15 Temperature coefficients have slightly been adjusted compared to datasheet temperature grade 2.
SHTxx version 3.01. Coefficients apply to V3 as well as V4 sensors. 17 According to accuracy and long term drift specification given on Page 2.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 99/11calibration and testing. No information can be derived from 6.3 Shipping Package
the code directly; respective data is stored at Sensirion SHT1x are shipped in 12mm tape at 100pcs, 400pcs and
and is provided upon request. 2000pcs – for details see Figure 21 and Table 11. Reels
Labels on the reels are displayed in Figures 19 and 20, are individually labeled with barcode and human readable
they both give traceability information. labels.
Sensor Type Packaging Quantity Order Numbe
SHT10 Tape & Reel 2000 110021804
Lot No.: XX0-NN-YRRRTTTTT
Tape & Reel 100 110005104
Quantity: RRRR
RoHS: Compliant SHT11 Tape & Reel 400 110009804
Tape & Reel 2000 110052404
Lot No.
Tape & Reel 100 110008504
SHT15
Tape & Reel 400 110009304
Figure 19: First label on reel: XX = Sensor Type (11 for SHT11), Table 11: Packaging types per sensor type.
NN = Chip Version (04 for V4), Y = last digit of year, RRR =
Dimensions of packaging tape are given in Figure 21. All
number of sensors on reel divided by 10 (200 for 2000 units),
tapes have a minimum of 480mm empty leader tape (first
TTTTT = Traceability Code.
pockets of the tape) and a minimum of 300mm empty
trailer tape (last pockets of the tape).
2.00 ± 0.05 Ø1.50 MIN 1.75
5.50
1.00 ± 0.10 ± 12.0
0.30 ± 0.05 12.00 Ø1.50 MIN 0.05 ±
Device Type: 1-100PPP-NN 0.3
R0.3 MAX
Description: Humidity & Temperature Sensor
SHTxx 5.80
11
Part Order No. 1-100PPP-NN or Customer Number
Date of Delivery: DD.MM.YYYY
Order Code: 46CCCC / 0 2.80 R0.5 TYP
8.20
Figure 20: Second label on reel: For Device Type and Part Figure 21: Tape configuration and unit orientation within tape,
Order Number please refer to Table 12, Delivery Date (also dimensions in mm (1mm = 0.039inch). The leader tape is at the
right side of the figure while the trailer tape is to the left
Date Code) is date of packaging of sensors (DD = day, MM =
(direction of unreeling).
month, YYYY = year), CCCC = Sensirion order number.
www.sensiion.com Version 4.3 – May 2010 1010/
11Revision History
Date Version Page(s) Changes
July 2008 4.0 1 – 11 New release, rework of datasheet
September 2008 4.1 3, 4 Adjustment of normal operating range and recommendation for antistatic bag
April 2009 4.2 2, 7 Amended foot note 2, communication diagram updated (Figure 17).
May 2010 4.3 1 – 11 Various errors corrected and additional information given (ask for change protocol).
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any other application where failure of the product could result in satisfaction, to have arisen from SENSIRION’s faulty design,
personal injury. Do not use this product for applications other material, or workmanship;
than its intended and authorized use. Before installing, handling, • the defective product shall be returned to SENSIRION’s factory at
using or servicing this product, please consult the data sheet and the Buyer’s expense; and
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This warranty does not apply to any equipment which has not been
If the Buyer shall purchase or use SENSIRION products for any installed and used within the specifications recommended by
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and hold harmless SENSIRION and its officers, employees, EXCEPT FOR THE WARRANTIES EXPRESSLY SET FORTH
subsidiaries, affiliates and distributors against all claims, costs, HEREIN, SENSIRION MAKES NO WARRANTIES, EITHER EXPRESS
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allegedly negligent with respect to the design or the manufacture of the PURPOSE, ARE EXPRESSLY EXCLUDED AND DECLINED.
product. SENSIRION is only liable for defects of this product arising under the
conditions of operation provided for in the data sheet and proper use of
ESD Precautions
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The inherent design of this component causes it to be sensitive to
implied, for any period during which the goods are operated or stored
electrostatic discharge (ESD). To prevent ESD-induced damage and/or
not in accordance with the technical specifications.
degradation, take customary and statutory ESD precautions when
SENSIRION does not assume any liability arising out of any application
handling this product.
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See application note “ESD, Latchup and EMC” for more information.
liability, including without limitation consequential or incidental
Warranty damages. All operating parameters, including without limitation
recommended parameters, must be validated for each customer’s
SENSIRION warrants solely to the original purchaser of this product for
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parameters can and do vary in different applications.
product shall be of the quality, material and workmanship defined in
SENSIRION reserves the right, without further notice, (i) to change the
SENSIRION’s published specifications of the product. Within such
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period, if proven to be defective, SENSIRION shall repair and/or
improve reliability, functions and design of this product.
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Jin Zhong Huan Business Building, info@sensirion.com.cn Futian District, Shenzhen, www.sensirion.com.cn Postal
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PR China
Find your local representative at: http://www.sensirion.com/repsANEXO CPara el sensor SHT15 se encuentra disponible un código C ejemplo elaborado por el fabricante,
para ser usado con un PIC16F88.
Por disponibilidad y para la realización de pruebas preliminares y familiarización con el sensor
SHT15, se trabajó con la placa Arduino Uno R3 la cual utiliza un ATmega16U2 y es una
plataforma open-source, figura x.
Fig. 95
Se dispuso del código elaborado por Wayne Prasek y que está disponible en la página web
http://ragingreality.blogspot.com/2008/01/ardunio-and-sht15.html. Se le realizaron pruebas al
código y se verifico el funcionamiento del sensor y la variación de valores ante cambios de
temperatura y humedad.
/*
* Serial TTY
* -----------------
* This is a simple example of how to use serial communication to
* poll analog input values
* copyleft 2007 Wayne Prasek <wprasek@gmail.comm>
* http://ragingreality.thotbot.com/
*
*/
int dataPin = 9;
int sckPin = 8;
void resetSHT()
{
pinMode(dataPin,OUTPUT);
pinMode(sckPin,OUTPUT);
shiftOut(dataPin, sckPin, LSBFIRST, 255);
shiftOut(dataPin, sckPin, LSBFIRST, 255);return readByte16SHT();
}
void setup() {
pinMode(dataPin,OUTPUT);
pinMode(sckPin,OUTPUT);
Serial.begin(9600); // connect to the serial port
Serial.println("Resetting SHT...");
resetSHT();
}
void loop () {
delay(2000);
Serial.println("Starting Temperature/Humidity reading...");
int temp = getTempSHT();
Serial.print("Temprature:");
Serial.println(temp);
temp = getHumidSHT();
Serial.print("Humidity:");
Serial.println(temp);
}
A este código se le hicieron correcciones, debido a que los valores de temperatura y humedad
presentados en pantalla no tenían las ecuaciones de conversión de acuerdo a las
especificaciones de la hoja de datos del sensor, Anexo B, a continuación se pueden ver las
ecuaciones que permite visualizar los valores sensados en las unidades correctas.
void loop () {
delay(2000);
int temp_raw = getTempSHT();
Serial.print("Temperature(DEGC): ");
float temp_degc = (temp_raw * D2) + D1;
serialPrintFloat(temp_degc);
int rh_raw = getHumidSHT();
Serial.print("Humidity(%RH): ");
float rh_lin;
rh_lin = ( C3 * rh_raw * rh_raw ) + ( C2 * rh_raw ) + C1;
rh_true = ((temp_degc - 25 )* (T1 + T2 * rh_raw) + rh_lin);
serialPrintFloat(rh_true);
}8. Referencias Bibliográficas
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