Source: https://www.scribd.com/doc/148207467/Posible-Resumen
Timestamp: 2017-02-19 15:05:22+00:00

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BrowseInterestsBiography & MemoirBusiness & LeadershipFiction & LiteraturePolitics & EconomyHealth & WellnessSociety & CultureHappiness & Self-HelpMystery, Thriller & CrimeHistoryYoung AdultBrowse byBooksAudiobooksNews & MagazinesSheet MusicBrowse allUploadSign inJoinDISEÑO DE UN SISTEMA INALÁMBRICO PARA EL MONITOREO EN TIEMPO REAL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA BAJO INVERNADEROJAIME ARTURO RODRÍGUEZ RAMÍREZ CÓDIGO: 44951055
.A mi madre y a mi familia por su apoyo siempre incondicional.
. Luis Angel Barahona. por la orientación y las valiosas sugerencias recibidas para realizar este trabajo. Todas la personas que colaboraron desinteresadamente para la realización de este trabajo. Ingeniero Agrícola.AGRADECIMIENTOS
El autor expresa su agradecimiento a: José Antonio Tumialán. por su aporte personal y profesional. Director de Proyecto.
...2...................9 2.........7 Redes inalámbricas con descarga de datos en tiempo real....2..4..2......................1.......... ....... 2..............1................................................................................ ANTECEDENTES.......3.......4....1 1.................15. 1... TECNOLOGIA INALÁMBRICA...............3. 2.. ESTÁNDAR IEEE 802.... DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA ......4... TECNOLOGÍAS ACTUALES .................12 2...2...............12 2................1..... .............................16 Consumo de energía e incorporación a la red....... El estándar IEEE 802............8 1..........7
1...6 Red cableada con descarga de datos en tiempo real..........................6 1.........................................................1.................2.........................................1................................6 1..........17
.............................................................. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL DISEÑO................ 1............... MARCO LEGAL Y FRECUENCIAS DE OPERACIÓN...3................1.................................2.......2........................................2........................................ .................... 1....1............. Importación y distribuidores nacionales...............1....15.............13 Tipos de dispositivos ...................17
2.............12 2...............................6 Soluciones de monitoreo con descarga de datos por lotes............16 Topologías........CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .... PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.... 2..........4 frente a otras tecnologías inalámbricas ........3..............................
.................5..............2............26
2...............2.42 3..............30
2....1........... PRUEBAS PRELIMINARES EN CAMPO ...................................43 3...................41
3.................23 Antenas ......2..5...........38 3.......36 3....................................19 2. Componentes de un sistema de comunicación inalámbrica ...................................................2..42 3.................................2....1......2.............................. CONSIDERACIONES GENERALES ................5.....................2.......... ANALISIS DE COSTOS............................1.................42 3...............38 Estándares de medición de condiciones meteorológicas...........................2............2... 3.....................................4.1...................................1.39 Protección de los instrumentos contra la radiación solar... Sensores capacitivos y resistivos............................... Temperatura ...................... 2............ CONSIDERACIONES SOBRE OBSTÁCULOS Y RUIDO ............................6...............1.... Metodología de prueba..................22 2............... 2.. 3.................................23 Conceptos de línea de vista ......................................................................48
...6....................................3..........5.................7....................................................1............... 2......... ....... Humedad relativa .......................24 Consideraciones sobre el montaje ...................................38 3................... SELECCIÓN DE SENSORES ......6..........1..... DISEÑO DE LA ETAPA DE MEDICIÓN ...... SELECCIÓN DEl TRANSCEIVER .........2..................26 2....... 2............5.........................4............1.................................... Instrumentos convencionales ...1.1..........................................3............................. El invernadero .....................27 Análisis de resultados......2....
...........72
.... MODELO DE REQUISITOS .............................3.... Diagrama de flujo para el PIC16LF688 en el Coordinador.............1.......................53 4.............2.......................6..1.....53 4........................1........... METODOLOGÍA DE MONTAJE EN CULTIVO........3......72 5......................................................4...............1.. PRUEBAS PRELIMINARES ................................................................................ ....................... Diagrama funcional del circuito . Diagrama funcional del circuito..........................................................62 4............. Módulo de medición.........54 4........................ CALIBRACIÓN Y MANTENIMIENTO ........................59
4..............................1...........................62 Control automático de riego en cultivos................................... DISPOSITIVOS................. APLICABILIDAD FUTURA...............66 5...1......1........52 4........ BENEFICIOS ..1................ DISEÑO DE MÓDULOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓN....2........ Coordinador de red................ 4..................................................53 4.............2.........61 4........................57 4......................1................ ANÁLISIS DE CONSUMO DE ENERGÍA .......55 4.................................1........3.56 4..............................................4..........................2.. DISEÑO DE SOFTWARE...............72 5..............1...........4.....64 4...1....................1........................................3..............................2...........................63
4.............. Diagrama de flujo para el PIC16LF688 en el módulo de medición 58 4................60 4.........2.5............................. CONSIDERACIONES GENERALES .1................2...2.................. Monitoreo de variables en procesos industriales.................1................................ Módulo repetidor................
....75 5....85
.............................84 5..1.....................2.......................... Aplicación cliente ..2.............................1.................................84 Opciones generales...79 5........82 5......... 5.....4............................1...........................2.......1. Enviar configuración................................3.........................85 5. Diagrama de flujo ............2.............................84 Registro de datos y de sucesos..............5..4...............4...74
5...83 5.......................................3....4......... Exportar Datos ......................................4.........3.................. Consultar estado ..2....................3.....1......................77 5......73 Diagrama de clases .........80 5...................................................... DISEÑO GENERAL DEL PROGRAMA DE COMPUTADORA ...........................................2................4....2............................................3.................... Consultar datos .................................................3......................... 5...............................1.3.........4..............1....................................7...................3......................3..........................1......... 5............5... Descargar datos ................................................................. Configurar nodos..........1....................72 Diagrama de casos y usos .84
5.5.5............1.....................6.............1.........................76 5........5..78 5............................85 5................. Iniciar y detener sistema ........
Descripción del problema ............................. Diagramas de secuencias .. BASE DE DATOS Y MODELO ENTIDAD-RELACION .................5.......................3.............1......... Información y configuración de nodos ........................................................83 Información de sucesos.............................................. 5....1.................81 5.....3........................... 5....3..... MODELO DE ANÁLISIS ..........1..................75 5..... Servicio del sistema operativo ......
......... Interfaces preliminares ....................................................................................................................1... CONCLUSIONES .................98
................................2........................... RECOMENDACIONES................92 BIBLIOGRAFÍA ....................................................5...........................................................85 6.........................96 REFERENCIAS INTERNET ..................................................................5.............................................94 BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA.............................89 7.......
.... Características de respuesta del instrumental meteorológico...... 40 Tabla 12.......................................... Ganancia de las antenas en cada bloque...................... Especificaciones HIH-3610 de Honeywell .................. 22 Tabla 4..................... .......... 28 Tabla 6. ................................................ ................... 35 Tabla 8..................LISTA DE TABLAS
Tabla 1... ...................... 37 Tabla 11............ 51 Tabla 18................................................. Valores de exactitud y resoluciones recomendadas.......................................... Análisis de consumo módulo inalámbrico........................ .... ........... 64
. 45 Tabla 16............ 14 Tabla 2........ 35 Tabla 9.................................................................... ........................................ 50 Tabla 17.......................... 41 Tabla 13................................ Especificaciones SHT1x / SHT7x de Sensirion ....................... Ganancia de las antenas en cada bloque...................... ............ 45 Tabla 15.... Características de radiofrecuencia del módulo ETRX1 de Telegesis.... Ganancias requeridas según márgenes de atenuación y distancias entre puntos... ......... Comparación de tecnologías inalámbricas................................................................... Niveles de intensidad de la señal... Sensores de temperatura y sus características ..... 44 Tabla 14.. ........... Características del módulo ETRX1........ 14 Tabla 3. Resumen de características de sensores de temperatura................. 22 Tabla 5............... ................................ Pruebas de alcance en finca piloto con cultivos de hortalizas............ ..... Especificaciones HTS2010SMD de Humirel..................... Características de las principales tecnologías inalámbricas...................................... Comparativa de costos entre un sistema cableado y uno inalámbrico.............. 29 Tabla 7... 36 Tabla 10.. .......
............................ 81 Tabla 28............................. Flujo principal del caso de uso Iniciar y detener sistema.................................. ......... ................... ............... ....... Flujo principal del caso de uso Descargar datos....... 76 Tabla 23...................Tabla 19............... 77 Tabla 24............................. ...................... 69 Tabla 21.... Flujo principal del caso de uso Enviar configuración................................ 78 Tabla 25.... Resumen de la segunda serie de mediciones.... 80 Tabla 27..... 65 Tabla 20......................... Flujo principal del caso de uso Consultar estado.. 71 Tabla 22......... Flujo principal del caso de uso Configurar nodos........................ Flujo principal del caso de uso Consultar datos...... 79 Tabla 26......... ............ .......... .................. Flujo principal del caso de uso Exportar datos... 82
....... Análisis de consumo para el módulo de medición.... Resumen de mediciones iniciales.....
..................... 30 Figura 15.................................................................. .. 31 Figura 16....... Localización de nodos finales y nodos repetidores en los bloques de la finca........................................... 28 Figura 14............. Configuración de transceiver comandado por microcontrolador...... . .. 27 Figura 13.................................................. 39
............................................................. ......... Metodología de diseño................... Invernadero................. Imagen del ETRX1 ................. ............ ......... Enfoque de energía de una antena omnidireccional. 15 Figura 5................ ........................ ................. Vista de los cultivos bajo invernadero en la finca...............LISTA DE FIGURAS
Figura 1......... Zona Fresnel entre dispositivos inalámbricos ... ............................. Topologías .................................. 20 Figura 7............................................ Tarjeta con módulo inalámbrico de prueba de eco del Kit de Desarrollo........................................... 24 Figura 9....... .................................... 25 Figura 11....................................................................................................................................................... 26 Figura 12......... 32 Figura 17............... 21 Figura 8............................................... 9 Figura 3................................... 24 Figura 10.....15...................................... Diagrama funcional de hardware y software ................................................................................................... ...................... Diámetros de la Zona Fresnel según distancia y frecuencia de operación.................. Distribución de los bloques en finca piloto con cultivos de hortalizas............................................... Esquema funcional general........................ 10 Figura 4.............. Factores de atenuación de señal....................... ........4 .............................. Tipos de antena según el enfoque de energía........ 5 Figura 2............................. Arquitectura en capas para el estándar IEEE 802............. 17 Figura 6...................
................................... 48 Figura 21.... Diagrama de secuencia Consultar estado ................... 76 Figura 36... ...... ........... Diagrama funcional del circuito de prueba de sensor...... Exactitud en la familia de sensores SHT1x / SHT7x .... 56 Figura 25............ Filtro para sensores SHT1x ................................................................................ Diagrama de flujo del módulo coordinador gestionando nodos de la red....... ................................. Diagrama de flujo de sincronización con el programa de Servicio............. Diagrama de secuencia Iniciar y detener sistema .... Diagrama de pines del microcontrolador PIC16LF688.......................................................... Dispositivos que conforman una red de monitoreo típica ... .................................................... 54 Figura 23... Gráfico de primera serie de resultados de medición de temperatura y humedad relativa......... 74 Figura 34................... Diagrama de flujo para el módulo de medición............................Figura 18............................................ 59 Figura 28............ 78 Figura 38................................. .... ......... Diagrama de flujo para el módulo repetidor........................................ Gráfico de la segunda serie de resultados de medición de temperatura y humedad relativa........ 57 Figura 27. ............................................................................ microcontrolador y memoria....................... Diagrama de casos y usos .......................................................................... 53 Figura 22......... 60 Figura 29.................... .......................... .. Imágenes del circuito de prueba comandado por calculadora Hewlett Packard.......................................................... 77 Figura 37................................................................... Diagrama funcional del módulo Coordinador... 79
. 67 Figura 30...... Diagrama de clases ................................ 70 Figura 33.......................................... Diagrama de secuencia Configurar nodos ............................ 75 Figura 35.... Diagrama de secuencia Consultar datos ............... 67 Figura 31........................................... Montaje típico del SHT1x / SHT7x ............................ 47 Figura 19.......... 48 Figura 20..... 57 Figura 26............................. 55 Figura 24.... 69 Figura 32................................. Diagrama funcional del módulo de medición........................................................... ........................
........................ Diagrama de secuencia Exportar datos .............. ............. Modelo entidad relación......Figura 39.. Diagrama de flujo de sincronización con el programa de Servicio........................ 83 Figura 43................................... 87
......... Diagrama de secuencia Descargar datos ...... ........................................ Interfaz para la edición de la tabla GRUPOS........ Diagrama de secuencia Enviar configuración .......................................... ........... 86 Figura 44......... 81 Figura 41............. 80 Figura 40......... 82 Figura 42...................... 87 Figura 45....... .. Entorno general de la aplicación cliente...........................................
BYTE: conjunto de ocho bits. PIC: siglas de circuito integrado programable. Diseñado para aplicaciones de corta distancia (<10m). BIT: dígito binario.GLOSARIO
AGROMETEOROLOGÍA: es la ciencia que trata el estado del tiempo en la atmósfera terrestre. BPS: siglas de bits por segundo. a la temperatura en que el vapor de agua empieza a condensarse a una presión determinada. Unidad fundamental de la información. PUNTO DE ROCÍO: Se llama así. especialmente aplicada a la agricultura.
. ELECTROVÁLVULA: válvula cuya apertura o cierre se logra por medios eléctricos. BLUETOOTH: es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia. DATALOGGER: Dispositivo portátil utilizado para registrar mediciones a lo largo del tiempo de manera autónoma. EVAPOTRANSPIRACIÓN: pérdida de agua por la evaporación del suelo y la transpiración de las plantas.
Wi-Fi se creó para ser utilizada en redes locales inalámbricas.RS-232: estándar de comunicación serial usado en los PC y en la calculadora HP48.
. SOLENOIDE: dispositivo eléctrico utilizado para la apertura y cierre de una electroválvula.11. TRANSCEIVER: dispositivo que combina capacidades de transmisión y recepción en un solo encapsulado UART: siglas de Universal Asynchronous Receiver Transmiter o Transmisor Receptor Asíncrono Universal. WiFi. Wifi. Wi-Fi: (o Wi-fi. wifi) es un conjunto de estándares para redes inalámbricas basado en las especificaciones del estándar IEEE 802.
donde es de vital importancia contar con sistemas de medición que permitan optimizar los procesos y la calidad de la producción.RESUMEN
Debido a la necesidad de monitorear variables climatológicas en cultivos. Un sistema de medición y registro ágil. así como facilidad de implementación y gran número de nodos. en cuanto a bajo costo y consumo de energía. que entregan los datos de las mediciones vía radiofrecuencia a una computadora central de administración por software. para ser aplicado en análisis de grados-día y el monitoreo para el manejo climatológico óptimo en un cultivo de flores. para monitorear el comportamiento de la temperatura y la humedad relativa dentro de un invernadero.4. así como responder de manera oportuna ante los riesgos que puede involucrar el impredecible comportamiento climatológico. se ha diseñado un sistema automático de medición. sobre el comportamiento de la temperatura y humedad relativa en un invernadero. registro. registro y almacenamiento de datos en tiempo real. flexible y eficiente se vuelve determinante para el manejo óptimo del cultivo y contribuye de manera notable en el análisis de grados-día y otras actividades de mejoramiento desde el punto de vista de la agronomía.15. El diseño consiste en una red de dispositivos de medición.
. El presente trabajo presenta el diseño de un sistema basado en tecnología inalámbrica. y transmisión de datos en tiempo real. localizados en cada área productiva del cultivo. para efectuar la medición. aprovechando las ventajas que ofrece el nuevo estándar de transmisión inalámbrica IEEE 802. operados con baterías y por medio de microcontroladores.
battery operated. storing and data supplying automatic system at real time.
. to monitoring temperature and relative humidity behavior into greenhouses. to be used at day-degrees analysis and optimal weather monitoring management at flowers cultivation. Keywords: wireless. by radio. weather. it’s designed a measuring. measure. to computer. with regard to temperature and relative humidity in greenhouses. Agile.15. using microcontrollers. registering. low consumption. easy installation and large number of nodes. located at each cultivation productivity area. The design consist of a measuring devices network.4. which send measurement data. flexible and efficient measurement and registry system is so important to optimal cultivation management and contribute at day-degrees analysis and others improvement activities particularly at agronomy aspect. as regards low cost. to monitoring. where it’s of vital importance to have measurement systems that allow optimize process and productivity quality. IEEE 802. also to response at the right moment against risks because of unpredictable climatic weather.ABSTRACT
In order to meet today’s requirements with regard to monitoring weather conditions at cultivation. agriculture. registering and transmitting data at real time. taking advantage of new wireless transmission standard features. This work presents the design of a wireless technology system.
un registro y análisis adecuados del comportamiento climatológico se constituyen en herramientas fundamentales. El concepto de grados-día. Además. y por consiguiente en reducción de utilidades económicas. proporciona indicadores que permiten relacionar la respuesta productiva de los cultivos de acuerdo al comportamiento de las diversas variables climatológicas. Soluciones eficientes de comunicación inalámbrica para el registro automático de datos de medición de variables climatológicas. es de gran utilidad en la agricultura permitiendo. aplicados al control de riego. por lo que representan en términos de reducción de costos de instalación y especialmente de mantenimiento frente a los sistemas cableados tradicionales. gestión de recursos y tecnología utilizada. El presente trabajo presenta el diseño de un sistema de monitoreo para ser aplicado en el análisis de grados-día. han producido gran impacto especialmente en el sector agrícola.
El estudio de la interacción entre el clima. así como identificar el grado de desarrollo en diferentes etapas. plagas y enfermedades. labores agrícolas. a la hora de optimizar la respuesta productiva de un cultivo. entre otras. programar fechas de siembra o ciclos de cultivo. automatización en el sector agrícola y mejoramiento de los procesos de la industria en general. han abierto las puertas al desarrollo de nuevos sistemas de reducción de cableado y mantenimiento. pronosticar fechas de cosecha. entre otras cosas. alteraciones del ciclo vegetativo. Como consecuencia. y contribuyen en la reducción de daños fisiológicos en las plantas que se traducen en pérdidas de producto.
basándose en módulos de medición comandados por microprocesadores. frente a soluciones tradicionales de transmisión de datos por cable.
. incorporando el acondicionamiento de las señales obtenidas. los obstáculos físicos. b) Definir la tecnología de transmisión de los datos. teniendo en cuenta el uso que se le dará a las mediciones.OBJETIVOS Objetivo general Diseñar un sistema para monitorear en tiempo real el comportamiento de la temperatura y la humedad relativa. las distancias al lugar de recepción de los datos. el almacenamiento y la transmisión de los datos. d) Diseñar el hardware necesario para efectuar la medición de las variables climatológicas. las condiciones climatológicas de los lugares donde se implementará. teniendo en cuenta factores tales como. con base en las características y disposición geográfica de las áreas productivas (bloques en los que está segmentado el cultivo) donde se efectuarán las mediciones de las variables climatológicas en cuestión. las instalaciones eléctricas disponibles y el uso que se le dará a los datos producto de las mediciones. Objetivos específicos a) Identificar la viabilidad técnica de incorporar tecnología inalámbrica. dentro de un invernadero. c) Elegir los sensores adecuados para la medición de temperatura y humedad relativa. para efectuar la transmisión de datos del invernadero. y la aplicabilidad futura de la solución.
recibir y administrar los datos obtenidos de las mediciones permitiendo el almacenamiento de los mismos en una base de datos o en forma de archivo plano o similar. dirección y velocidad del viento. este trabajo únicamente incorporará la medición de dos de las variables físicas de mayor incidencia en el desarrollo de las plantas en cultivos de flores como son la temperatura y la humedad relativa. radiación solar. por ejemplo. No obstante. En materia de variables físicas a medir.e) Diseñar el software adecuado que permita: configurar los parámetros de medición del sistema (tasas de muestreo. Aunque el tema de monitoreo de variables meteorológicas es bastante extenso. fecha y hora de inicio de medición. este trabajo se ha considerado un punto de partida a nivel tecnológico. es claro que para aplicaciones tales como el control de heladas. umbrales para generación automática de alarmas). y el agricultor colombiano puede requerir de soluciones tecnológicas más complejas. estado de baterías o suministro eléctrico). con base en los requerimientos identificados en tres fincas productoras y exportadoras de flores de la sabana de Bogotá. considerando que un sistema que opere sin cables tendría gran impacto en el sector agrícola. humedad relativa. ALCANCES Y LIMITACIONES El alcance de este trabajo de grado está de acuerdo con las necesidades planteadas por la compañía COLTEIN LTDA. metodológico y comercial para comenzar a fabricar soluciones que satisfagan las necesidades del sector agrícola en este ámbito. se hace necesario monitorear el comportamiento de variables tales como temperatura. diagnosticar el estado técnico de funcionamiento (módulos activos o inactivos. Es de particular interés para COLTEIN LTDA evaluar la posibilidad de incorporar tecnología inalámbrica para solucionar este tipo de necesidades de monitoreo climatológico. dados los altos costos de instalación y 3
hay aún pruebas pendientes por efectuar. con el propósito de medir la validez del diseño planteado. entre otras. inicialmente ha sido necesario documentar los requerimientos principales sobre monitoreo climatológico en los invernaderos donde se pretende implementar este tipo de solución. Aunque es claro el propósito de construir e implementar este sistema de monitoreo.mantenimiento de cableado de los sistemas de monitoreo y riego que existen en la actualidad. este trabajo hasta ahora se ha limitado a garantizar la viabilidad técnica del diseño. es claro que en la actualidad. Así mismo se ha revisado literatura relacionada con la medición de las variables físicas en cuestión. y que es posible utilizarlos en conjunto para los fines propuestos. este trabajo de grado llegará hasta la etapa de diseño dada la reciente aprobación y patrocinio por parte de COLTEIN LTDA a este proyecto. Como consecuencia. Luego se diseñó toda la estructura relacionada con la transmisión de datos entre 4
. De otra parte. la empresa analizará la viabilidad de implementar sistemas de monitoreo más completos. así como la fabricación de soluciones en el tema de automatización de invernaderos y control de riego. Con base en los resultados obtenidos de este trabajo. No obstante. METODOLOGÍA Para la consecución de los objetivos propuestos. en el sentido de verificar que los componentes seleccionados operan de acuerdo a lo especificado por los fabricantes y la teoría aplicable. se definieron con exactitud todos los parámetros relacionados con el proceso de medición. De este modo ha sido posible diseñar los diferentes componentes relacionados con la adquisición y almacenamiento de datos que permita efectuar mediciones en campo.
se diseñó una base de datos y un programa de computadora.
Figura 1. se efectuó un análisis y evaluación preliminar del diseño resultante.
FORMULACIÓN DE PARÁMETROS Y POSIBLES SOLUCIONES DOCUMENTACIÓN DISEÑO CORRECCIONES EVALUACION DEL DISEÑO
Fuente: El autor. es necesario efectuar otro tipo de pruebas que aseguren la eficiencia del sistema. necesarios para almacenar los datos de las mediciones. así como su protocolo de comunicaciones.
Una vez diseñado el proceso de transmisión y descarga de los datos del invernadero a una computadora convencional. con miras a efectuar las correcciones y/o recomendaciones a que haya lugar.módulos de medición y computadora. comandar el sistema y configurar los parámetros generales de funcionamiento del mismo. Finalmente. Metodología de diseño.
1. El respaldo técnico ofrecido por estos distribuidores no siempre es el más adecuado. ANTECEDENTES
El tema del monitoreo de variables físicas en cultivo presenta al productor colombiano dificultades en cuanto a que las soluciones que puede implementar no se ajustan a sus posibilidades económicas y/o no satisfacen sus necesidades.1. Algunos de los factores a considerar con relación a los sistemas actuales de monitoreo son los siguientes:
1.1. el cliente puede gozar de precios aceptables. pero tiene mayores dificultades para hacer efectivo el respaldo técnico. pues casi la totalidad son fabricadas por compañías internacionales y el empresario colombiano termina pagando la importación y las utilidades de la cadena de distribución.
El agricultor paga elevados costos al adquirir soluciones de distribuidores nacionales.
La solución típica que han implementado fincas de la Sabana de Bogotá. Al adquirir productos directamente del exterior.2. pues muchas veces éste tiene que hacer efectivo dicho respaldo directamente con el fabricante.1. según información del departamento comercial de COLTEIN LTDA.1. Importación y distribuidores nacionales. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL DISEÑO
1. consiste en utilizar
. Soluciones de monitoreo con descarga de datos por lotes.
los dispositivos de mano utilizados para descargar los datos son sometidos a un desgaste considerable y en muchos casos no alcanzan la vida útil esperada. lo que hace más compleja y costosa su implementación y su mantenimiento. Además. por ejemplo. Red cableada con descarga de datos en tiempo real.
1. utilizando módulos con tecnología WiFi.
Es posible obtener en el extranjero una solución para monitorear datos en tiempo real. o sistemas propietarios (sistemas exclusivos de empresas particulares) con buenas prestaciones. la toma de decisiones no es tan oportuna como debería serlo. esta solución obliga a dedicar a una o más personas la labor de descarga de datos. la consulta efectiva de la información depende de la frecuencia de la descarga y. y por cable.dispositivos de monitoreo con transmisión de datos ‘por lotes’ como es el caso de los registradores marca HOBO®1. donde los datos registrados por cada dispositivo deben ser descargados a una computadora manualmente. por el personal encargado.1. así como la adición de nuevos módulos o cambio en la distribución geográfica de los nodos. Finalmente.
Es posible elegir una solución para obtener datos en tiempo real utilizando módulos cableados a un punto central. como consecuencia.
1. que tienen como desventaja su alto costo y gran consumo de energía (cada módulo necesita instalaciones eléctricas). Esta alternativa presenta varias desventajas.4. Redes inalámbricas con descarga de datos en tiempo real.
Marca registrada de ONSET COMPUTER CORPORATION
. Por una parte. pero con altos costos y problemas de compatibilidad con otros sistemas y con nuevas tecnologías.1.3.
1. en el sentido de remplazar su actual sistema de registro de temperatura y humedad relativa con descarga por lotes. con base en las expectativas manifestadas por uno de sus clientes en materia de monitoreo climatológico. que proporciona los datos de las mediciones en un formato de archivo de computadora que dificulta el proceso constante de descarga de los datos.2. Los clientes en mención tienen instalado actualmente un sistema de monitoreo basado en dataloggers marca HOBO® de la familia H8. • Se puede utilizar un dispositivo de mano que vende el fabricante para descargar los datos directamente en el cultivo. sistematización y automatización. de acuerdo a las expectativas y necesidades del mercado colombiano. por lo tanto. desarrollo e implementación de soluciones de ingeniería. • El sistema actual es un sistema cerrado. Se requiere. para el mejoramiento de los procesos operativos de la industria en general. • Los dataloggers son importados desde otros países y como consecuencia el soporte técnico no es el mejor. pero estos dispositivos son muy delicados y su vida útil muy reducida. Este sistema no cumple sus necesidades básicamente por las siguientes razones: • El sistema actual no proporciona datos en tiempo real. de personal dedicado a la labor de descarga de los datos. por un sistema de monitoreo para contar con datos de mediciones en tiempo real. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El proyecto de monitoreo de variables climatológicas en tiempo real ha contado con el apoyo técnico y económico de Coltein Ltda. compañía especializada en el diseño. dado que cuando un dispositivo se daña. Estos datos se requieren para manejo de una aplicación de grados-día y para monitorear el estado climatológico de cada uno de los bloques en que se divide la finca. tiene que ser enviado nuevamente al fabricante en el extranjero. Lo anterior. 8
Una finca productora de flores está normalmente dividida en lo que se denomina comúnmente ‘bloques’ que son áreas productivas que comparten las mismas condiciones meteorológicas. Cada datalogger registra y transfiere al coordinador las mediciones efectuadas por los sensores según el intervalo definido por el operador del sistema. cuando ésta está conectada. Desde la computadora el operador puede configurar los intervalos de muestreo de cada uno de los dataloggers. La figura muestra el esquema general de funcionamiento del sistema. se ha identificado la necesidad de diseñar una solución que suministre datos de mediciones de temperatura y humedad relativa en los cultivos del invernadero. así como otros parámetros de funcionamiento
Fuente: El autor. Descarga de datos: El coordinador recibe los datos adquiridos y los almacena localmente.Dados los anteriores inconvenientes. operado por baterías. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA
El sistema para la medición de las variables físicas en cuestión se compone de dispositivos de medición y registro automático (dataloggers). incorpora sensores de temperatura y humedad relativa.
Figura 2. Cada bloque puede considerarse como un microclima 9
. para monitorear las condiciones climatológicas de los cultivos y para utilizarlos en el análisis de grados-día. en tiempo real.
Módulos para medición de temperatura y humedad relativa en invernadero
Coordinador Monitoreo en campo: Cada datalogger. transfiriéndolos a la computadora. Esquema funcional general.
1. periódicamente. un dispositivo central de recepción de datos (coordinador) y una herramienta de software diseñada para la descarga de los datos a una computadora y la configuración general del sistema.
independiente. Es decir que el número de dispositivos de medición o dataloggers en un sistema está en proporción directa con el área de la finca.
. Diagrama funcional de hardware y software
Cultivos bajo invernadero
Oficinas o centro de recepción de datos
Sensores de Temperatura y Humedad Relativa
Hardware de recepción
Hardware de comunicación PC
Hardware de comunicaciones Almacén de datos
Microcontrolador Aplicación Hardware de almacenamiento
Interfaz de usuario Resultados e informes
Medición de variables físicas en invernadero
Módulo registrador en invernadero gobernado por microcontrolador
Módulo coordinador gobernado por microcontrolador
Computadora para procesamiento y almacenamiento de datos
Fuente: El autor. lo normal en una aplicación real de monitoreo climatológico bajo invernadero. tales como tasas de muestreo. así como la configuración de los parámetros generales del sistema.
Figura 3. En la práctica una finca puede tener entre 10 y 50 bloques. almacenamiento y consulta de datos. Como consecuencia. se requerirá de un solo dispositivo ‘coordinador’ por finca y de una computadora convencional para efectuar las labores de recepción. umbrales de alarma y otros. será que se disponga de un solo dispositivo de medición en cada uno de los bloques que conforman la finca. De otra parte.
. En el cultivo se disponen los módulos de medición que incorporan los sensores de temperatura y humedad relativa. Valga la pena aclarar que el dispositivo coordinador opera de manera autónoma sin necesidad de tener una computadora encendida y conectada a su hardware de comunicaciones.La figura 3 muestra un diagrama de bloques de los componentes de hardware y software que componen la solución. Estos registran las mediciones y transmiten los datos al módulo coordinador quien sirve como vínculo entre la red de dispositivos en el cultivo y la computadora central de almacenamiento y administración del sistema en las oficinas.
redes de computadoras. de bajo consumo. lo que requieren es dispositivos confiables. para incrementar la vida de las baterías y con la posibilidad de incorporar gran número de módulos en una sola red. etc. Sin embargo.
2. a expensas de un gran consumo de energía y alto costo.
2. estos sistemas no necesitan transmitir grandes volúmenes de información a grandes velocidades.15.. IEEE ha desarrollado un nuevo 12
. TECNOLOGIA INALÁMBRICA. En contraste a las aplicaciones típicas para las que fueron diseñados Bluetooth y WiFi. tales como redes de sensores y sistemas de control. que posibilitan la transferencia de grandes volúmenes de datos a alta velocidad para aplicaciones de voz.2. seguros. En cambio.4. ESTÁNDAR IEEE 802. TECNOLOGÍAS ACTUALES
En la actualidad existe una variedad de estándares internacionales de transmisión inalámbrica por radiofrecuencia tales como Bluetooth y WiFi.2.1. pero algunos de estos sistemas se ofrecen a costos altos y como es de suponerse tienen problemas de compatibilidad en el sentido de interoperar con sistemas de otros fabricantes y con nuevas tecnologías. entre otras. hasta hace más o menos 2 años no existía un estándar para redes inalámbricas que sumpliera los requerimientos de aplicaciones de monitoreo y control para el hogar y la industria. Cabe anotar que no es nuevo el desarrollo de sistemas propietarios (diseños de empresas particulares) para ser incorporados en aplicaciones de monitoreo y control para el hogar y la industria. video.
En respuesta a la carencia de un estándar apropiado para aplicaciones de monitoreo y control para la industria y el hogar.
permite el desarrollo de redes inalámbricas de bajo costo y sencillez de implementación. el IEEE 802.1. Este estándar. operando en frecuencias que no requieren de permisos de entidades gubernamentales a nivel internacional y transmitiendo a tasas de 250 Kbps.
2. Si se mira el caso del tipo de comunicaciones que se producen en una red de sensores o actuadores. con módulos que pueden ser alimentados con baterías durante periodos de hasta un año o más. sensores inalámbricos.estándar ratificado a finales del año 2004.4 frente a otras tecnologías inalámbricas
En el cuadro 1 puede apreciarse una comparativa de las tres tecnologías más conocidas. o efectuar una operación periódicamente.2. Además de ser paquetes pequeños de información. El estándar IEEE 802. la gran mayoría de los dispositivos pueden estar inactivos hasta que necesitan enviar información o activarse al ‘detectar algo’. Esta tecnología resulta apropiada para aplicaciones de automatización de edificios.15. podemos encontrar que muchas de estas comunicaciones se realizan con pequeños paquetes de datos: para enviar información de un sensor o simplemente para controlar el estado de los sensores. entre otras. control industrial.4.15. Las principales ventajas que ofrece esta tecnología son: • • • • • Bajo consumo de potencia Facilidad de implementación Transferencia de datos confiable Posibilidad de estar inactivos durante grandes periodos de tiempo Bajo costo
Tabla 1. Scientific & Medical) de 2.
Una red puede estar formada por hasta 65535 nodos los cuales tienen la mayor parte del tiempo el transceiver de radiofrecuencia en estado de bajo consumo de 14
.15. bajo coste Aplicaciones Navegar por Internet.2mA en reposo 30mA transmitiendo. 20mA en reposo 40mA transmitiendo.4 define una tecnología inalámbrica con velocidades comprendidas entre 20 Kbps y 250 Kbps y rangos de 75 m. Pag. redes de ordenadores.4GHz (16 canales). 8.
IEEE 802. Emerging Standards. sensores.4
Fuente: http://www.domodesk. transferencia de archivos USB inalámbrico.com. 2004.
El estándar IEEE802. La transferencia de datos es de hasta 250 Kbps en la banda de 2. Bob. sustituto del cable Batería de larga duración.15.
Estándar Wi-Fi Ancho de Banda Hasta 54Mbps Consumo de potencia 400mA transmitiendo.4 GHz (a nivel mundial). Características de las principales tecnologías inalámbricas.
Característica Autonomía de energía Precio Complejidad Nodos Latencia Rango de transmisión Tasa de transmisión Seguridad IEEE 802. productos dependientes de la batería. Puede usar las bandas libres ISM (Industrial. móviles. Comparación de tecnologías inalámbricas. informática casera Control remoto.15.4 más de 1 año U$3 Simple 65535 Enumeración 30 ms 70 m 250Kbps 128bit AES y definido por el usuario en capa de aplicación
Fuente: HEILE. 868 MHz (Europa) y 915 MHz (EEUU). 3uA en reposo Ventajas Gran ancho de banda Interoperatividad. juguetería. hasta 40Kbps en 915MHz (10 canales) y a 20Kbps en la de 868MHz (un solo canal)
Tabla 2.11b Horas U$9 complejo 32 Enumeración hasta 3 s 100 m 11Mbps Authentication Service Set ID (SSID) Bluetooth 1 semana U$6 muy complejo 7 Enumeración hasta 10s 10 m 1Mbps 64bit. 0. 128bit IEEE 802.
APLICACIÓN MARCO DE APLICACIÓN CAPA DE RED Y DE SEGURIDAD CAPA MAC CAPA FÍSICA
Definida por el usuario Compañías promotoras
Fuente: HEILE. 2004.
.15. El objetivo. Está diseñado para mantener transmisiones de mayores volúmenes de datos pero a costa de un mayor consumo de energía. Arquitectura en capas para el estándar IEEE 802. aparece la estructura de la arquitectura en capas.potencia (sleep) con objeto de consumir menos que otras tecnologías inalámbricas.4 GHz. Siguiendo el estándar del modelo de referencia OSI (Open Systems
Interconnection). Emerging Standards. el estándar IEEE 802. Bob.4 usa la DSSS (secuencia directa de espectro ampliado) en la banda 2.15. es que un sensor equipado con un transceiver de esta tecnología pueda ser alimentado con baterías por más de un año. la física (PHY) y la de acceso al medio (MAC). Las capas de protocolos de red y seguridad son definidas por las compañías promotoras del estándar y. La tecnología Bluetooth es capaz de llegar a 1 MB/s en distancias de hasta 10 m (su uso está orientado más hacia la reducción de cables) operando en la misma banda de 2. 8. finalmente. Al igual que WiFi.4. la capa de aplicación queda a cargo de las empresas que incorporan la tecnología en sus diseños.4 GHz.
Figura 4. en la figura 4. Las primeras dos capas. son definidas por el estándar IEEE 802. Pag.
A nivel lógico. el estándar IEEE 802. Se operan normalmente con baterías. Creados para ser incorporados en módulos junto con sensores y/o actuadores de la red. que normalmente es de unos 30 ms. Durante la mayor parte del tiempo de operación un dispositivo se encuentra en modo de bajo consumo (sleep) y sólo se activa durante un muy pequeño intervalo de tiempo para reportarse en la red de dispositivos. Dos factores a tener en cuenta son la transición de modo de bajo consumo a modo normal (alrededor de 15ms) y la enumeración o incorporación a la red. es el más sofisticado de los tipos de dispositivos.2.15. La memoria adicional y la capacidad de computación. requiere memoria y capacidad de computación. lo hacen ideal para hacer las funciones de repetidor. Normalmente se opera con energía de la red AC ya que tienen que estar permanentemente escuchando transmisiones en la red para retransmitirlas.2. El dispositivo de función reducida (RFD) de capacidad y funcionalidad limitadas (especificada en el estándar) con bajo costo y simplicidad.2.
.2.4 maneja tres tipos de dispositivos: El coordinador de red. que mantiene en todo momento el control del sistema. El dispositivo de función completa (FFD) capaz de recibir mensajes. Normalmente se opera con energía de la red AC ya que debe operar permanentemente. dado que no se utilizan como repetidores.3.
2. considerablemente menor a la de tecnologías como WiFi y Bluetooth (transición y enumeración mayores a 3 s). Consumo de energía e incorporación a la red
El bajo consumo de potencia es una de las características más importantes de esta tecnología. Éste puede funcionar como un coordinador de red.
conocidos con el nombre de dispositivos finales. así como las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth se basan en la tecnología de espectro ampliado. Emerging Standards. se comunican únicamente con el coordinador.
Figura 5.2. pero la red puede ser ampliada a través del uso de repetidores. En la topología de malla. Pag. uno de los dispositivos tipo FFD asume el rol de coordinador de red y es responsable de inicializar y mantener los dispositivos en la red.3.2. La red final puede tener hasta 65535 nodos. Topologías
Fuente: HEILE. Bob. “Los dispositivos de espectro ampliado operan desde el año de 1985 y 17
. Todos los demás dispositivos.15. 8. MARCO LEGAL Y FRECUENCIAS DE OPERACIÓN
Los sistemas de telecomunicaciones basados en el estándar IEEE 802. el coordinador es responsable de inicializar la red y de elegir los parámetros de la red. El protocolo de enrutamiento elimina las rutas menos óptimas. Topologías
La red de nodos puede configurarse básicamente en tres topologías: Estrella. malla y árbol.
En la topología estrella.4. 2004.4.
fueron la base para desarrollar aplicaciones en las bandas Industriales. las cuales pueden enumerarse de la siguiente forma:
ORTEGON BOLIVAR. Este Reglamento Técnico atribuyó rangos de frecuencia para los sistemas de acceso inalámbrico y redes inalámbricas tipo LAN que empleen tecnologías de espectro ampliado y modulación digital de banda ancha y baja potencia. Y define las modalidades de Secuencia Directa. Científicas y Médicas (ISM) de 902 a 928 MHz. empleando un código independiente al de los datos. de 2 400 a 2 483.mincomunicaciones. mediante sistemas de acceso inalámbrico y redes inalámbricas de área local. Bluetooth y el estándar IEEE 802.gov. La regulación estatal colombiana promueve los sistemas
inalámbricos wi-fi y bluetooth
El texto completo de la resolución puede consultarse desde la página principal del Ministerio de
comunicaciones http://www. de banda ancha y baja potencia. Básicamente estas dos técnicas podrían resumirse como el método utilizado por la tecnología para distribuir la señal convencional en un espectro de propagación equivalente”2. que utilicen tecnologías de espectro ampliado y modulación digital.5 MHz y de 5 725 a 5 850 MHz. Allí se dan algunas advertencias reglamentarias en dichas bandas para no causar interferencia perjudicial a otros servicios de telecomunicaciones.4. Con la Resolución 689 del 21 de abril de 2004 “por la cual se atribuyen unas bandas de frecuencias para su libre utilización dentro del territorio nacional.15.co
. En Colombia el Ministerio de Comunicaciones reglamentó por primera vez esta tecnología a través de la Resolución 3382 de 1995 definiéndolos como aquellos sistemas donde la energía media de la señal transmitida se reparte sobre una ancho de banda mucho mayor del ancho de banda de la información de interés. y se dictan otras disposiciones”3 se permite el uso de varios sistemas de acceso inalámbrico entre ellos Wi-Fi. Salto de Frecuencia con sus correspondientes características técnicas. Jairo Augusto.
2.4. no van incluidas en el chip.5 MHz. Freescale Semiconductor. como entre Texas muchas Instruments. para prestar servicios de telecomunicaciones a terceros los operadores deben tener la autorización respectiva”4. y Banda de 5 725 a 5 850 MHz. Banda de 5 250 a 5 350 MHz. Bajo este escenario habría que diseñar e implementar las
ORTEGON BOLIVAR.
Banda de 902 a 928 MHz.
. SELECCIÓN DEL TRANSCEIVER
Compañías Microchip. Comercialmente es posible adquirir los transceiver por separado teniendo únicamente la implementación de la capa física y de control de acceso al medio. en aplicaciones de redes de sensores. Ember. están definidos bajo el estándar IEEE802. c). que comanda el protocolo de comunicaciones conectándose directamente al transceiver. dadas sus evidentes ventajas frente a otros estándares de transmisión inalámbrica.a). otras. d). dispositivos de
comunicación con tecnología basada en el estándar IEEE802. y como tales van incorporados en el transceiver. Se optó por incorporar esta tecnología en el diseño. La regulación estatal colombiana promueve los sistemas
inalámbricos wi-fi y bluetooth. Banda de 5 470 a 5 725 MHz.15. Jairo Augusto. Banda de 2 400 a 2 483. Por su parte. de protocolo de red y seguridad. e). b).4. Como se discutió en la sección 2. la capa física y de control de acceso al medio de la arquitectura de los dispositivos.
“Según esta resolución se entiende que la utilización del espectro radioeléctrico en las bandas de frecuencias mencionadas anteriormente no requiere de ningún tipo de licencia.2. Banda de 5 150 a 5 250 MHz. Sin embargo.15. sino que se incorporan en forma de firmware que es posible elegir y ajustar de acuerdo a las necesidades de la aplicación y que se implementa normalmente por medio de un microcontrolador. f). las capas siguientes.4.
y de acuerdo posiblemente a un estudio de mercado.siguientes capas de la arquitectura para manejar la parte de protocolo de red. Según lo anterior. seguridad de las transmisiones. exonerándolo de las complejidades del protocolo de red. etc. es posible adquirir comercialmente módulos que incorporan en un mismo encapsulado. varias compañías han desarrollado su propio stack para implementar esta funcionalidad. Como es de suponerse. que se apreciaría más cuando se comercializa un gran número de unidades. Este trabajo se ha limitado a adoptar el uso del módulo encapsulado incluyendo transceiver RF y microcontrolador. este tipo de encapsulado resulta más costoso que adquirir transceiver y microcontrolador por separado. únicamente la implementación de la capa de usuario. ruteo para topologías de malla y árbol. es decir el desarrollo de la aplicación final.
Figura 6. Esta no es una tarea fácil y por ello.
. el transceiver para las comunicaciones RF y el microcontrolador con el firmware que cumple con la funcionalidad de red. el encapsulado con el stack puede valer más de 30 dólares.
Fuente: Página principal de Microchip http://www.com. dejando a cargo de los diseñadores de aplicaciones.microchip. no es descartable la idea de desarrollar el protocolo dado el gran ahorro en costos. No obstante. a futuro. dado que el sólo diseño del protocolo de red representaría un desarrollo considerable fuera de los objetivos de este trabajo. Mientras el sólo transceiver puede costar alrededor de 2 a 4 dólares. Configuración de transceiver comandado por microcontrolador.
mediante tarjetas RS-232. Además. incluyendo el EmberNet/EmberZNet stack.15.telegesis. a través de comandos. http://www. funcionamiento en modo cíclico.Dado que el estándar IEEE802. así como definir otros parámetros de funcionamiento. El ETRX1 a diferencia de otros.4.4 es una tecnología aún en evolución. sino mediante desarrollo de software.15. desde una computadora. La mayoría no incorporan la funcionalidad de repetición. compatible con el estándar IEEE802. la compañía distribuye un Kit de desarrollo que permite. dirección.
Figura 7. Imagen del ETRX1
Fuente: Hoja de datos de la página principal de Telegesis. la mayoría de módulos que se consiguen comercialmente no tienen una funcionalidad de red completa aún. configurar los módulos inalámbricos para que operen como coordinadores. y por lo tanto no es posible implementar de manera simple la topología malla y árbol. basada en el transceiver EM2420 de la compañía Ember. Este instrumento resulta muy útil a la hora de efectuar pruebas de alcance y de configuración. se ha seleccionado el módulo ETRX1 de la compañía Telegesis. repetidores o dispositivos finales. Luego de considerar varias alternativas para efectuar las comunicaciones inalámbricas. implementa la funcionalidad de repetidor para topología de malla y árbol.com
. modos de consumo. tales como canales de operación.
15.FL • UART para fácil comunicación • Cumple con el estándar IEEE 802.15.5.4 • Puede actuar como FFD.
• Basado en el transceiver Ember EM2420.
• Tamaño 37.45mm • Antena integrada o antena externa mediante conector Hirose U.6V • Corriente de consumo tan baja como 15uA en modo sleep • Probado para cumplimiento de CE y FCC (con la antena integrada) • Rango de temperatura de operación: -40°C a +85°C
Fuente: Hoja de datos de la página principal de Telegesis. RFD y Coordinador • Incluye el transceiver Ember EM2420 • Hasta 8 MIPS de procesamiento • El módulo viene con software de interface mediante comandos AT. 2. Características de radiofrecuencia del módulo ETRX1 de Telegesis.4GHz Banda ISM • Transceiver RF de espectro ampliado de secuencia directa • Tasa de transferencia efectiva de 250kbps • Módulo de muy bajo consumo de potencia (-30mA en transmisión) • 16 canales (Canal 802.4 11 a 26) • Potencia de salida de hasta 3dBm
Fuente: Hoja de datos de la página principal de Telegesis. http://www. Características del módulo ETRX1. Las siguientes son las tablas de características del ETRX1 dadas por el fabricante.4 con el nuevo EmberZNet™ stack disponible próximamente • Actualización de Firmware vía RS232 o sobre el aire (protección con contraseña) • Encriptación de hardware soportada (AES-128) • Voltaje de alimentación 2.telegesis.
Tabla 3.75 x 20.7V – 3. http://www.15.telegesis. CONSIDERACIONES SOBRE OBSTÁCULOS Y RUIDO
Esta sección expone algunas consideraciones con respecto a la instalación de los 22
.El ETRX1 tiene un alcance de transmisión con línea de vista de hasta 135 m.com
Tabla 4. • 8 líneas de entrada/salida de propósito general y dos entradas análogas • Soporta 5 diferentes modos de consumo • Basado en el EmberNet™ classic stack • Cumplimiento del estándar IEEE 802.
2. entre un dispositivo transmisor y uno receptor. En un sistema de transmisión pueden existir elementos físicos de obstrucción y ruido o interferencia. sino que exista además un camino entre los dos puntos en forma de balón de fútbol americano.5.5. que pueden limitar la capacidad de un sistema para transmitir datos de un lugar a otro. comúnmente denominado zona Fresnel. Conceptos de línea de vista
Es común hablar del concepto de línea de vista en sistemas de comunicación inalámbrica.1. La primera se refiere a la posibilidad de ver de un punto a otro punto. La segunda. 23
. con el propósito de optimizar el rango de alcance de transmisión. Sin embargo.dispositivos de transmisión inalámbrica. en cambio.
2. para tener en cuenta a la hora de implementar un sistema. implica no sólo ver de un punto a otro. Componentes de un sistema de comunicación inalámbrica
Básicamente un sistema de transmisión está compuesto por los siguientes tipos de dispositivos: • Dispositivo de transmisión (codifica datos en forma de ondas de radiofrecuencia para ser transmitidas al receptor por medio de una antena) • • • Dispositivo de recepción (decodifica los datos que llegan a través de la antena de recepción) El medio a través del cual se efectúa la comunicación Antenas o elementos de enfoque y captación de señales de radiofrecuencia. de modo que una línea recta une los dos puntos. debe diferenciarse entre línea de vista visual y línea de vista RF.
telegesis. Esto quiere decir que entre más alto se sitúen los dispositivos.4 m 15. mayor alcance es posible lograr.2 m
Fuente: Página principal de Telegesis. La tabla presenta algunos valores de diámetros según distancias y frecuencias de operación. Antenas
La antena es un dispositivo que enfoca la energía en una dirección en particular.4 m 8.5.
Figura 9. La forma como se enfoca la energía depende de su diseño y aplicación.6 Km 8 Km 16 Km Diámetro requerido para la zona Fresnel (900MHz) 7m 12 m 23 m 31 m Diámetro requerido para la zona Fresnel (2. lo ideal es localizar el receptor y el transmisor en sitios tales que la zona Fresnel entre los dos puntos esté lo más libre posible de obstáculos.
Distancia 300 m 1. que el diámetro necesario para la zona Fresnel depende de variables tales como la frecuencia de transmisión y distancia entre los puntos.2 m 20. 24
. además. Diámetros de la Zona Fresnel según distancia y frecuencia de operación.4GHz) 5.telegesis.com
2.3.com
Para poder lograr el máximo alcance.Figura 8. http://www. Debe tenerse en cuenta. http://www. Zona Fresnel entre dispositivos inalámbricos
Fuente: Página principal de Telegesis.
lo que en la práctica permite lograr mayores alcances de transmisión en entornos donde hay línea de vista.1 dBi (3 dBd): 33º de ancho de haz vertical 8. podemos distinguir entre dos tipos de antenas: • Antenas omnidireccionales: enfocan la energía en varias direcciones. Tipos de antena según el enfoque de energía.1 dBi (0 dBd): 75º de ancho de haz vertical 5. dado que al enfocar la energía en más direcciones existirán más caminos para que la señal alcance su objetivo final.Figura 10. es muy posible que una antena de baja ganancia omnidireccional logre mayor alcance que una de alta ganancia unidireccional.com
Una antena es llamada de alta ganancia cuando concentra la energía mucho más en una dirección.telegesis. http://www.1 dBi (6 dBd): 17º de ancho de haz vertical
Ganancias típicas pueden ser las siguientes: 2. En este orden de ideas. Debe tenerse en cuenta que en entornos donde no es posible obtener línea de vista.
tal como lo haría una linterna.6.
Ganancias típicas pueden ser las siguientes: 8.
2.telegesis. En algunos casos es posible que la antena deba situarse separadamente de los dispositivos de transmisión y recepción por lo cual deben utilizarse cables para conectarla. por lo cual es recomendable reducir la longitud del cable tanto como sea posible.1 dBi (13 dBd): 35º de ancho de haz vertical
Fuente: Página principal de Telegesis. produciendo resultados inesperados.5.Figura 11. Demasiada cercanía puede interferir en la forma como la antena irradia energía. debe situarse la antena lo más lejos posible de objetos metálicos. PRUEBAS PRELIMINARES EN CAMPO
La empresa Coltein Ltda adquirió el Kit de Desarrollo para efectuar pruebas 26
Antenas direccionales: enfocan la energía especialmente en una dirección. Enfoque de energía de una antena omnidireccional.1 dBi (9 dBd): 55º de ancho de haz vertical 15.4. Consideraciones sobre el montaje
De ser posible. http://www. Todos los cables de RF adicionan pérdidas al sistema.1 dBi (6 dBd): 70º de ancho de haz vertical 11.
envía paquetes de datos y verifica si los recibe correctamente. Una segunda tarjeta. El Fade margin se define como la diferencia entre la intensidad de la señal entrante y la sensitividad de recepción de un módulo. construcciones.
2.1. Las tarjetas permiten determinar a través de 3 leds el nivel de transmisión (fade margin) entre dos módulos inalámbricos de acuerdo a las transmisiones de datos efectuadas. Metodología de prueba
La prueba consistió en utilizar las dos tarjetas que incluye el Kit de desarrollo. como árboles.6. cada una con un módulo de transmisión inalámbrico. es decir. Una de ellas actúa como eco de la transmisión.preliminares con los módulos inalámbricos. los paquetes de datos que recibe los retransmite inmediatamente. Tarjeta con módulo inalámbrico de prueba de eco del Kit de Desarrollo. cubiertas plásticas de los invernaderos. El objetivo fue verificar los niveles de transmisión y los alcances máximos posibles en todas y cada una de las áreas productivas de la finca para conocer el efecto que pudieran tener posibles fuentes de pérdida de transmisión.
Fuente: El autor. Se tuvo la oportunidad de efectuar algunas pruebas de alcance en una finca con cultivos de hortalizas.
Figura 12. diferencias de altura del terreno y altura de colocación de los módulos.
La siguiente figura muestra la distribución de bloques (áreas productivas) de la finca donde se efectuaron las pruebas. Y es precisamente allí. La 28
. donde se sitúa la computadora para la administración y recepción de los datos del sistema.
3 LEDs encendidos 2 LEDs encendidos 1 LEDs encendidos 0 LEDs encendidos Señal muy fuerte (fade margin > 30dB) Señal fuerte (fade margin > 20dB) Señal moderada (fade margin > 10dB) Señal débil (fade margin < 10dB)
Fuente: El autor. la finca está dividida en 14 bloques. Las oficinas se encuentran localizadas entre los bloques 1 y 2.
Fuente: El autor. Los bloques 11 al 14 están separados de los demás por un camino vehicular (no muy transitado). Distribución de los bloques en finca piloto con cultivos de hortalizas. en las oficinas.
Figura 13. Se determinó que el nivel del suelo del sector del bloque 10 se encuentra levemente por debajo del nivel de los demás bloques de la finca. Niveles de intensidad de la señal.
La cuarta columna muestra el nivel de intensidad de la señal de acuerdo al número de leds encendidos en las tarjetas de prueba de acuerdo a lo expuesto en la tabla 5. De acuerdo a la distribución de bloques en la finca.
NIVEL DE TRANSMISIÓN ENTRE SITIOS DE MEDICION Punto A 0 0 0 0 0 0 0 12 12 12 2 2 2 2 3 3 3 3 5 5 5 5 7 7 7 Punto B 1 2 12 11 14 3 4 11 14 13 11 3 4 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10 9 Transmitió SI SI SI NO NO NO NO SI SI SI SI SI SI NO SI SI SI SI SI SI SI NO SI SI SI Nivel (1-3) 3 2 2 0 0 0 0 2 3 2 1 2 2 0 2 2 2 1 2 2 2 0 2 1 2
La tercera columna de la tabla muestra el resultado de la transmisión. Pruebas de alcance en finca piloto con cultivos de hortalizas. sin fallos. donde ‘Punto A’ y ‘Punto B’ especifican los bloques entre los cuales se efectuó cada prueba de transmisión. si se efectuó o no de manera constante. Las pruebas se realizaron localizando los módulos a 2 metros de altura y utilizando antenas omnidireccionales de 2.siguiente tabla resume los resultados de las pruebas de alcance efectuadas.
Tabla 6. se definieron los puntos de prueba mostrados en el cuadro. Es decir.1dBi. Estos resultados permiten establecer el tipo de nodos que deben disponerse en cada uno de los 29
La misma metodología permite definir la elección de módulos para el resto de la finca. 12 y 11. es evidente que en el sitio 13 no habrá recepción.6. obsérvese el caso de los bloques 11. Cabe considerar que esta metodología no es la misma en todos los casos. 13 y 14.2.
2. así como entre los sitios 0 y 14. 12 y 14 y entre 12 y 13. Localización de nodos finales y nodos repetidores en los bloques de la finca. Análisis de resultados
Para entender el mecanismo de elección de módulos. Esto permite concluir que será necesario localizar en el sitio 12 un módulo de tipo repetidor que permita cubrir los cuatro bloques de dicha zona. dado 30
Figura 14. En este caso particular una disposición adecuada de nodos podría ser la mostrada en la siguiente figura. Caso contrario ocurrió entre los sitios 0 y 12. Los resultados muestran que no hubo buena recepción entre los sitios 0 y 11.bloques para garantizar la correcta recepción de los datos al punto central de administración.
Fuente: El autor. 12.
En este sentido.que no sólo hay que tener en cuenta las distancias geográficas. Pérdida en la trayectoria: es la disminución de señal que ocurre cuando las ondas de radiofrecuencia viajan a través del aire o de los obstáculos.
Es difícil determinar el máximo rango de alcance de transmisión inalámbrica. altura del terreno. 31
. Según lo anterior. para la implementación de una red inalámbrica es necesario evaluar cuidadosamente las condiciones particulares de cada finca. árboles. barreras en sitios específicos y otras fuentes de interferencia. ya que depende de las características propias del medio. pueden disminuir la intensidad de las señales. sino además las diferencias de altura del terreno. teniendo en cuenta las diferentes fuentes de interferencia o pérdida de señal. Construcciones. estas pruebas se efectuaron en una finca donde la altura de las plantas es notablemente menor a la de un cultivo de flores u otros productos. Vista de los cultivos bajo invernadero en la finca. Ganancia de antenas: Cantidad de ganancia de señal que puede proporcionar una antena. Sensitividad de recepción: Es una medida de la mínima intensidad de señal que un dispositivo receptor puede percibir.5 metros. • • • • Potencia de transmisión: Potencia que es capaz de emitir el transmisor. Adicionalmente. donde las plantas alcanzan hasta los 2.
Figura 15. obstáculos. deben considerarse 4 factores a la hora de estimar el rango de transmisión.
David. En muchas situaciones es conveniente saber qué tan susceptible a fallar es un sistema. La atenuación varía además con la frecuencia de transmisión y el tipo y densidad de los materiales de los obstáculos. Para ello. más la ganancia de las antenas del transmisor y el receptor. mayor será la capacidad del sistema de comunicaciones para responder a eventualidades del medio La fórmula de Friis5 permite estimar el máximo alcance de transmisión. Entre mayor sea la intensidad de la señal. La potencia de transmisión.1)
Para que las comunicaciones sean satisfactorias el margen de atenuación debe ser mayor que cero.
Existe una atenuación natural de la señal debida a la distancia.
. Los obstáculos hacen mayor esta atenuación. El margen de atenuación está dado por la diferencia entre RSSI y la sensitividad del receptor. en función
STEED. Entre menor es la frecuencia. Improving range with receiver sensitivity. Factores de atenuación de señal.
Fuente: El autor. y es independiente de la sensitividad del receptor. constituyen lo que comúnmente se denomina RSSI (RX Signal Strength Indicator) o intensidad de la señal. The Power of Sensitivity.Figura 16. menos las pérdidas en la trayectoria. menor la pérdida en la transmisión. se ha definido el término ‘Margen de atenuación’ o ‘Fade margin’ que puede definirse bajo la siguiente ecuación:
Margen de atenuación = potencia de transmisión + ganancia de antenas – sensitividad de recepción – pérdida en la trayectoria (Ec.
potencia de transmisión.1dB. pueden considerarse como trayectos donde las condiciones son más estables. en la finca se han identificado ciertos puntos críticos donde las condiciones pueden variar y donde debe elegirse un margen de atenuación mayor que garantice comunicaciones exitosas en las peores condiciones de interferencia. Concretamente. N=4 para ambiente urbano) = Potencia de transmisión = Ganancia total de antenas = Longitud de onda = Sensitividad de recepción = Margen de atenuación
La constante de propagación N se determina empíricamente. Los trayectos restantes. el valor de λ es igual a 0.del medio de propagación. Para el módulo ETRX1 la potencia de transmisión es de 3dBm con una sensitividad de recepción de -94dBm. y por lo tanto el margen de atenuación no debe ser muy alto.2) donde.
. El margen de atenuación se ha estimado de acuerdo a las condiciones del ambiente en los diversos sectores de la finca. no hay fuentes de interferencia variables.4 GHz. el trayecto del punto 0 al 12 debe atravesar un camino vehicular y el trayecto del punto 12 al 13 está junto a construcciones con paso habitual de personas. Para este estudio. Cada uno de los módulos se operó con antenas de 2. A una frecuencia de 2.125 m. Para este análisis. se ha tomado N=4 para ambiente urbano. ganancia de antenas. R N PT GT λ PR FM = Rango máximo de transmisión = Constante según el medio de propagación (N=2 para línea de vista. frecuencia y margen de atenuación. el trayecto del punto 0 al 2 puede tener interferencia debido a la estación de bombeo.
(Ec. de acuerdo a la cantidad o magnitud de los obstáculos presentes. sensitividad del receptor.
En algunas pruebas de laboratorio se estimó el efecto de atenuación de señal de acuerdo a la orientación de las antenas y los módulos inalámbricos.potencia de transmisión + sensitividad de recepción (Ec. puede remplazarse la pérdida en la trayectoria de la ecuación 3 en la ecuación 1. se optó por manejar un margen de atenuación de 20 dB (22dB para el trayecto 12 al 13) para los puntos más críticos y un margen de 15 dB para el resto de trayectos (5 dB para atenuación por orientación y 10 dB para otras eventualidades). r = Rango máximo de transmisión λ = Longitud de onda (Ec. solamente es posible modificar las ganancias de las antenas. Para este propósito se ha utilizado una fórmula derivada de la ecuación de Friis. 34
. que permite hallar la pérdida en la trayectoria. En resumen el cambio en la orientación representó atenuaciones entre 2 y 5 dB. 4)
Ganancia de antenas = 20 log(4πr/λ) dB + margen de atenuación . para establecer los márgenes de atenuación indicados.3)
Como se quiere hallar la ganancia necesaria para cada trayecto de transmisión. 5)
La siguiente tabla resume los valores de ganancia requeridos de acuerdo a los márgenes de atenuación definidos y según la distancia a la que se encuentran. Un muro de ladrillo en la práctica puede llegar a producir una atenuación de entre 5 y 10 dB según su grosor. en función de la distancia y de la frecuencia de transmisión. Según lo anterior. De este modo tenemos:
Margen de atenuación = potencia de transmisión + ganancia de antenas – sensitividad de recepción – 20 log(4πr/λ) dB (Ec.
Pérdida en la trayectoria = 20 log(4πr/λ) dB donde. Dado que las potencias de transmisión y recepción son constantes para los módulos ETRX1.
06 2.80 -5.06 171.
Punto A 0 0 0 12 12 12 2 3 3 3 3 5 7 7 Punto B 1 2 12 11 14 13 3 4 6 5 7 6 8 10 Distancia en metros 43.26 118.
BLOQUE GANANCIA DE LA ANTENA (DB) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2 2 2 2 2 2 5 2 2 2 2 5 5 2
Fuente: El autor.17 8. por lo tanto.125 102.31 -4.49 141.20 -1.75 111. no es necesario incluir antenas de ganancia. Ganancias requeridas según márgenes de atenuación y distancias entre puntos.
.80 -0. Según los valores de ganancia obtenidos.
Los valores negativos de ganancia en la tabla anterior indican que.78 2.17 90.4 Margen de atenuación 15 20 20 15 15 22 15 15 15 15 15 15 15 20 Ganancia requerida -9.51 64.19 3. para los valores señalados de potencia de transmisión.Tabla 7.26 113. las transmisiones ya cumplen con los márgenes de atenuación especificados y. La tabla siguiente especifica la ganancia necesaria de la antena (todas las antenas son omnidireccionales) de acuerdo los valores de ganancia requeridos que se especifican en la tabla anterior.76 -5.73 77.47 100. Ganancia de las antenas en cada bloque.08 -1.14
Fuente: El autor. puede establecerse el tipo de antena en cada uno de los bloques.51 -1.01 -5.80 4.99 64.26 64.72 107. sensitividad del receptor y distancia.
por la altura a la que se efectuaron las pruebas y las condiciones propias del medio.
Distancia obtenida (m) 32 31 28 Promedio Ganancia (dB) 4. Una de las tarjetas se situó en un punto fijo. Otro factor a considerar para pruebas futuras será el efecto de atenuación de otro tipo de cultivos. Futuras pruebas permitirán determinar el efecto real de la altura sobre el alcance y margen de atenuación de las comunicaciones inalámbricas. ANALISIS DE COSTOS
Para realizar un análisis de costos. Lo que permite comprobar que el entorno en el que se efectuaron las pruebas puede ser clasificado como ambiente urbano. Ganancia de las antenas en cada bloque.
2. donde algunas variedades superan los 2.
Los valores de margen de atenuación calculados con la ecuación 4 derivada de la ecuación de Friis tomando N=4 (31. como el caso de las flores.05 31. Las distancias obtenidas se muestran en la siguiente tabla.21 31. junto con el margen de atenuación calculado con la ecuación 4.33 32. con un margen de 30 dB). La otra tarjeta se situó a una distancia donde se detectara un cambio en el indicador de margen de atenuación (en la transición de 2 a 3 leds encendidos. son cercanos al margen de atenuación obtenido de los indicadores de las tarjetas del kit de desarrollo de los módulos inalámbricos.53dB en promedio). Factor determinante en alcance y margen de atenuación. entre un sistema cableado y uno inalámbrico 36
.Como verificación final de la validez de las ecuaciones utilizadas y los cálculos efectuados.2 Margen de atenuación calculado con N=4 (dB) 31. es decir.2 4.5 metros de altura.53
Fuente: El autor.7. se realizó una prueba para determinar si se había tomado correctamente la constante de propagación N=4 para ambientes urbanos. principalmente.
Tabla 9.2 4. Nuevamente se utilizaron las tarjetas del Kit de desarrollo para este fin.
200 4. se muestra a continuación una tabla de costos de la implementación de un sistema de cableado en una finca productora de hortalizas de la sabana de Bogotá. una red inalámbrica solo requeriría revisar los alcances de los nodos para redistribuirlos y.500 12.993.096.000 400 ML 2.610 ML 1.
Como puede apreciarse.124 ML 290 1.000 1. no se han tenido en cuenta costos relacionados con mantenimiento. el tendido de cable es de alrededor de 13 veces el costo de una red inalámbrica usando el módulo inalámbrico ETRX1.000
1.760 1.000 1.830 14 21. incluyendo costos de cable. adicionar módulos repetidores.000
Fuente: Departamento comercial de Coltein Ltda. lo que incrementaría aún más el valor estimado. en caso de que sea necesario.360 1. Otro aspecto a considerar es la redistribución geográfica de los nodos de la red.660 1 1. Total $ Vr.810. es factible tener que volver a cablear uno o varios trayectos.
TRM Costos asociados a cableado Cable apantallado 2hilos Cable vehicular (alimentación) Mano de obra Zanja Conduit 1/2 Número de nodos TOTAL Costo por nodo Costos asociados a transmisión inalámbrica Costo módulos inalámbricos Costo por nodo Cantidad 3. los costos de cableado en una finca promedio de 14 bloques son considerablemente altos.680. zanja y mano de obra adicional.000.como el propuesto. En el escenario cableado.000 120.000. y dependiendo del caso.
Tabla 10.400 425 1.983 8. Además.570. 37
. Comparativa de costos entre un sistema cableado y uno inalámbrico.239 2500
120.692 3. especialmente en cuanto a costo de cable.798 628 Unidad Vr.000 5.660 3. Total U$ ML 3.061. comparativamente más económicos que el tendido de cable. En este caso. el cual constituye en este ejemplo más del 50% del costo total. Por su parte./Und. Vr.830 1.026.
acortar los ciclos vegetativos de las plantas. policarbonato o vidrio. que es la pérdida de agua por la evaporación del suelo y la transpiración de las plantas. trabajar en su interior durante los días lluviosos.
Ibid. Esta cubierta se dispone tanto a los lados como en el techo. Pag. pájaros. Pag.3. CONSIDERACIONES GENERALES
3. De forma básica.
invernadero. aumentar los rendimientos. Argentina 2004. 5.
Octavio. 5. En ausencia de la fuente de calor. desarrollar cultivos que necesitan otras condiciones climáticas y evitar los daños de roedores. al estar protegidas del viento”7. Capacitación y Cultura del Agro. el invernadero actúa como un sistema que no permite la
CAPDEVILLE.1. Sus beneficios van más allá permitiendo “obtener una producción limpia. El invernadero
Los invernaderos son sistemas muy útiles en el manejo óptimo de la producción de hortalizas y flores.
.1.1. y su función es la de retener en su interior el calor producido durante el día por el sol o sistemas de calefacción artificiales. lluvia o el viento. DISEÑO DE LA ETAPA DE MEDICIÓN
Comunicaciones. Se constituyen en herramienta para “producir fuera de temporada. FUCOA. mejorar la calidad de los cultivos mediante una atmósfera interior artificial y controlada”6. conseguir mayor precocidad. También produce una economía en el riego por la menor evapotranspiración. un invernadero consiste en una estructura de madera o de metal acompañada de una cubierta plástica que por lo general es de polietileno transparente.
por ejemplo. en materia de monitoreo y registro climatológico. Así mismo. Octavio. Según el IDEAM “se entiende por temperatura del aire en superficie. Los invernaderos requieren un sistema para regular la ventilación. se ha decidido tener en cuenta los lineamientos que dicta el Instituto de Hidrología.2.25 y 2 metros sobre el nivel del suelo. los termómetros deben estar protegidos de la radiación del sol y al mismo
. útiles en estudio y pronóstico de heladas y comportamiento climatológico.1. IDEAM. la humedad y la temperatura interior. la temperatura del aire libre a una altura comprendida entre 1.
Aunque este trabajo no tiene como objetivo armonizar las mediciones de las condiciones climatológicas con respecto a los estándares de medición de organismos nacionales. Esto tiene como beneficio tener un diseño útil para estudios de contaminación y calidad del aire.
Fuente: Barrios Capdeville. Estándares de medición de condiciones meteorológicas.transferencia de calor hacia el exterior. Invernadero. permite obtener datos contrastables con otras zonas geográficas. Para obtener una lectura representativa de las temperaturas del aire.
Figura 17. manteniendo la temperatura en los niveles apropiados para el desarrollo de las plantas. Meteorología y Estudios Ambientales. Construcción de un invernadero
32.1 °C 0. Gloria Esperanza.3 mm 0.2 m/s + 5% del observado ± 5 grados ± 0. Medellín. EPA 2000
Instituto de Hidrología.1 m/s 1. IDEAM. Guía de procedimientos para la auditoría de estaciones
meteorológicas de la red de monitoreo de calidad del aire. La siguiente tabla especifica los valores de exactitud y resolución recomendadas en estudios de calidad del aire.
Variable meteorológica Velocidad del viento (horizontal y vertical) Dirección del viento (acimut y elevación) Temperatura del aire Diferencia vertical de Temperatura Temperatura del Punto de Rocío Precipitación Presión Atmosférica Radiación Solar Exactitud de la variable ± 0. 25.5 a 2 m sobre el suelo) como la diferencia de temperatura entre dos niveles (generalmente 2 m y 10 m).S.
LEÓN ARISTIZABAL. Estas medidas sirven para realizar cálculos sobre la elevación de la pluma y para determinar la estabilidad atmosférica”9.5 °C ± 10% del observado o ± 0. 2002.
. Meteorología y Estudios Ambientales.
Tabla 11. lo normal es que los instrumentos se instalan dentro de lo que se denomina caseta meteorológica.5 mm ± 3 hPa ± 5% del observado Resolución de la medición 0.1 °C ± 1. recomendados por estándares internacionales.5 hPa 10 W/m 2
Fuente: U.tiempo estar convenientemente ventilados”8. Pag. Pag. Valores de exactitud y resoluciones recomendadas.5 °C ± 0. “Para los estudios de contaminación del aire son útiles tanto la temperatura del aire ambiental en un solo nivel (generalmente 1.0 grados 0.02 °C 0. Para lograr este fin. Bogotá. 2001.1 °C 0. IDEAM. Manual del observador
meteorológico. cuya base se encuentra a una altura de 2 metros sobre el suelo. Del mismo modo es necesario tener en cuenta los valores de exactitud y resolución de las mediciones.
sino también de la suciedad y el polvo. caso en el cual se requiere proteger los instrumentos.5ºC con una resolución de 0.1ºC y un tiempo de respuesta menor a un minuto serían características aceptables para la elección del sensor.1. pero éstos elevan considerablemente el costo por unidad de medición implementada.30 °C a + 30 °C 5 segundos . Protección de los instrumentos contra la radiación solar
Una caseta meteorológica es útil en los casos donde se efectúan mediciones a campo abierto.
Variable Meteorológica Especificaciones Velocidad Inicial Constante de Distancia Velocidad Inicial Constante de Distancia Velocidad Inicial Distancia de Retardo Razón de Amortiguamiento Constante de Tiempo Constante de Tiempo Constante de Tiempo Amplitud Constante de Tiempo Amplitud Respuesta Espectral ≤ 0. no solo de la radiación solar y las precipitaciones. EPA 2000
Según lo anterior.S. Como 41
. A pesar de ello. Características de respuesta del instrumental meteorológico.
3.Tabla 12.7 ≤ 1 minuto ≤ 1 minuto ≤ 1 minuto . Comercialmente es posible adquirir escudos contra radiación solar. los fabricantes de sensores recomiendan evitar una exposición directa y prolongada a la radiación solar por lo cual se hace necesario de disponer.20 °C a + 60 °C 285 nm a 2800 nm
Horizontal Velocidad del viento Vertical Dirección del Viento Temperatura Diferencia de Temperatura Temperatura del punto de Rocío Radiación Solar
Fuente: U. una exactitud de 0.4 a 0.3. por lo menos. En el caso del monitoreo bajo invernadero. en el caso de la temperatura. el plástico del mismo contiene protección contra rayos ultravioleta.5 m/s @ 10 grados ≤5m 0. de algún elemento que impida esta exposición.5 m/s ≤5m ≤ 0.25 m/s ≤5m ≤ 0.
Madrid. todas las variables antedichas proporcionan una especificación completa de la cantidad de vapor de agua en el aire”10.
3.2. uno de los cuales se cubre con un fieltro mojado (el bulbo húmedo) y un mecanismo para ventilar.2. Humedad relativa
“La humedad es un término general relacionado con la cantidad de agua en el aire.alternativa y teniendo en cuenta que no hay exposición directa en el invernadero. la diferencia en temperatura del bulbo seco (depresión del bulbo húmedo) es una medida de la cantidad de humedad en el
2000. “El psicrómetro. Las principales variables de humedad son presión del vapor. humedad absoluta y humedad relativa. 36.2. SELECCIÓN DE SENSORES
3. Y ésta es precisamente la definición de humedad relativa.1. Manuel. humedad específica. Pag.1. consiste en dos termómetros. como medida para evitar el deterioro que puedan sufrir los instrumentos. en la práctica. 3. se ha considerado el uso de una pequeña caseta meteorológica. “lo mas importante es conocer a qué distancia se encuentra una masa de aire de la saturación”11. Aunque estas variables son indicadores útiles de la humedad. 64. LEDESMA JIMENO.
. Pag. temperatura del punto de rocío. A excepción de humedad relativa. La evaporación baja la temperatura del bulbo húmedo. Editorial Paraninfo. Instrumentos convencionales Los tipos de instrumentos normalmente utilizados en la medición de la humedad relativa en el campo meteorológico son los psicrómetros y los higrómetros. dado el reducido tamaño de la unidad de medición. Climatología y Meteorología Agrícola.1.
Sensores. 2003. Gloria Esperanza. 2002. tales como el cabello humano. Guía de procedimientos para la auditoría de estaciones
meteorológicas de la red de monitoreo de calidad del aire. Pag.
MADUEÑO LUNA. Universidad Nacional de Colombia. Es posible determinar la humedad relativa. Pag.
LEÓN ARISTIZABAL. 15. la tensión de vapor y el punto de rocío por medio de este instrumento con la ayuda de una fórmula psicrométrica o tablas basadas en esta fórmula. El higrómetro es un instrumento que mide el efecto físico que la humedad tiene en las sustancias. 36
Ibid. Bogotá. 6. Los sensores capacitivos “están formados por condensador de dos láminas de oro como placas y como dieléctrico una lámina no conductora que varia su constante dieléctrica.1. Los psicrómetros aún están en uso en muchas estaciones de observación.2. Memorias del curso de instrumentación medida y control en
agricultura. pero es muy conocido y utilizado”13. los tejidos de algunos animales o materiales sintéticos. MAYNE. División de Avnet
Electronics Marketing. en función de la humedad relativa de la atmósfera ambiente”14. pueden ser utilizados como estándares secundarios en procedimientos de auditoría”12. Antonio. IDEAM. 2000. Al respecto. acondicionadores y procesadores de señal. Tema2. Sensores capacitivos y resistivos. Jordi.2. “El principal inconveniente que presentan es que a humedades altas (100% de humedad relativa) el dieléctrico se satura y tarda bastante tiempo en volver a medir correctamente”15. pero por lo general no son convenientes para los programas rutinarios de monitoreo. el higrómetro “No es tan fiable como el psicrómetro. Pag. Pag. 39. 3.
. Estos presentan diferente elasticidad con la humedad.aire. Silica. Sin embargo.
Honeywell.0012T) T in °F) Sensible a la luz
Fuente: http://www. requerimientos de acondicionamiento de señal y costo.com
.0546-0. 5 VDC de alimentación Intercambiabilidad RH ± 5% RH. Sensirion.2% of RH Repetibilidad ± 0. Además un circuito acondicionador y linealizador dan una salida estándar. U$18 de 25-49 Terminado 2. Especificaciones HIH-3610 de Honeywell
Referencia: HIH-3610 Series Compañía: Honeywell Costo: U$20 de 1-24 unds. el rango de operación (algunos dispositivos no operan a condiciones extremas 100% de humedad relativa).honeywell.54 mm [0. 25 °C.093-0. Humirel.0 Vdc a 5. resolución. 1/e 15 s con movimiento lento del aire@ 25 °C Estabilidad RH ± 1% RH típico a 50% RH en 5 años Voltaje de alimentación 4. sin condensación Rango de operación para la temperatura -40 °C a 85 °C (-40 °F a 185 °F) Compensación de temperatura True RH = Sensor RH/(1. ± 8% @ 90% RH Típico Linealidad RH ± 0. 0-100 % RH sin condensación.En el caso de los sensores de Humedad Resistivos: Un electrodo polímero montado en tandem sensa la humedad en el material. entre otras. tiempo de respuesta (en algunos puede estar dado en minutos). Se revisaron hojas de especificaciones de sensores comercializados por las compañías Onset Computer.100 in] Lead Pitch Certificación NIST Exactitud RH ± 2% RH.5% RH Tiempo de respuesta RH.5% RH Típico Histéresis RH ± 1. fuentes de excitación. A continuación se presentan las especificaciones de algunos de los sensores que se consideró incluir en el diseño:
Tabla 13. consumo (es una variable importante tratándose del diseño de un dispositivo autónomo operado por baterías). 0-60% RH. En el proceso de elección de un sensor adecuado para la medición de humedad relativa se tuvieron en cuenta características como la exactitud (son comunes valores de 3 a 4%).8 Vdc Corriente de alimentación 200 µA típica Rango de operación para la humedad relativa 0 a 100% RH.00216T) T en °C (True RH = Sensor RH/(1.
Referencia: HTS2010SMD Compañía: Humirel Costo: U$18 Temperatura de almacenamiento -40 a 100 °C Voltaje de alimentación para la humedad relativa 10 Vac Rango de operación para la humedad RH 0 a 100 % RH Rango de operación para la temperatura Ta – 40 a 100 °C Máxima potencia eléctrica de suministro (continuo) @ 25°C P25 2 mW HUMEDAD Rango de medición de humedad RH 1 a 99 % Capacitancia nominal @ 55 % RH* C 177 180 183 pF Sensitividad promedio desde 33 % a 75 % RH ∆C/%RH 0.humirel. Especificaciones SHT1x / SHT7x de Sensirion
Referencia: SHT1x / SHT7x Compañía: Sensirion Costo: U$23
.Tabla 14.com
Tabla 15.04 pF/°C Histéresis de humedad +/-1.34 pF/%RH Estabilidad a lo largo del tiempo 0.5 %RH/año Tiempo de recuperación después de 150 horas de condensación 10 s Tiempo de respuesta (33 a 76 % RH. @ 63 %) τ 10 s Coeficiente de temperatura a 55 % RH / 10 a 40°C Tcc + 0. Especificaciones HTS2010SMD de Humirel.5 % RH Exactitud (10 % to 90 % RH) +/-2 % RH Voltaje de alimentación Vs 1 5 10 Vac TEMPERATURA Resistencia nominal @ 25°C 10 kΩ Valor Beta: B25/100 B 3600 3730 3800 Rango de medición de temperatura – 40 a 100 °C Tiempo de respuesta 10 s
se trata de sensores digitales que integran la medición de humedad relativa y temperatura en un solo chip.03 12
%RH Bit %RH
100 4 +/.4 voltios adecuado para montaje con batería y su consumo de energía es ideal para aplicaciones con dispositivos portátiles operados por batería.1
0. Finalmente el sensor modelo STH15 trabaja sobre el rango completo de humedad relativa (es sumergible). Aunque los tres tipos de sensores ofrecen características adecuadas para la aplicación de monitoreo climatológico. No viene con certificado de calibración. aunque para este tipo de aplicación este tiempo es aceptable.sensirion.5 8 Ver figura Total 0 1/e (63%) Lento movimiento de aire
0. en general ofrece buenas características en relación a su precio. tiene el mejor tiempo de respuesta. incluye detector de nivel bajo de alimentación.1
Máx 0. Además.1 < 0.01 14 +/-0. para este trabajo. con similitudes en rango de operación y exactitud. se decidió incluir en el 46
.Parámetro TEMPERATURA Resolución Repetibilidad Exactitud Rango Tiempo de respuesta HUMEDAD Resolución Repetibilidad Exactitud Intercambiabilidad Rango Tiempo de respuesta Histéresis Estabilidad a lo largo del tiempo
Min 0. el sensor de Humirel ofrece muy buenas características al mejor precio.com
En general. El sensor de Honeywell es superior en estabilidad a lo largo del tiempo y.03 12 +/-0.04 12 Ver figura
%RH s %RH %RH/año
Fuente: http://www. Por su parte. y tiene el mayor tiempo de respuesta. buena exactitud y resolución.01 14
Unds °C Bit °C °C S
123.8 30
0. puede ser alimentado desde 2. viene con certificado de calibración.
Exactitud en la familia de sensores SHT1x / SHT7x
Fuente: Hoja de datos en la pagina principal de Sensirion http://www. El SHT15.com
Como puede apreciarse en las gráficas de exactitud. puede acompañarse un pequeño filtro contra 47 suciedad. en el tiempo en que no se requiere efectuar medición alguna. y tiene la característica de que puede operar en modo de ‘sleep’ (0. Este sensor es más costoso que los de los otros fabricantes.sensirion.diseño el sensor de Sensirion que empaqueta en el mismo chip la medición de humedad relativa y temperatura (esto es un beneficio para la obtención de una medida más exacta del punto de rocío).3uA de consumo) por medio de comandos. Esta característica lo hace óptimo a la hora de reducir el consumo de batería teniendo en cuenta que se trata de una unidad de medición operada por baterías. agua y otros contaminantes con protección IP67. polvo. El STH15 difiere del SHT75 solamente en que el primero viene en montaje superficial. los sensores SHT15 y SHT75 ofrecen la mayor exactitud de la familia. además. Las siguientes gráficas muestran el grado de exactitud a lo largo de la escala completa de medición.
. pero es de fácil acondicionamiento.
Figura 19. 33
. Sin embargo.com
Figura 20.2. su valor es limitado en redes de monitoreo in situ o remotas debido a que no tienen la capacidad de registrar datos automatizados”16.2.sensirion. (2) el cambio de resistencia y (3) las propiedades termoeléctricas de diversas sustancias como una función de la temperatura. Los termómetros de mercurio y alcohol son ejemplos comunes de sensores de expansión térmica. los instrumentos clásicamente utilizados pueden clasificarse en tres clases principales. Temperatura
Dentro del campo de la medición de variables meteorológicas. Las estaciones meteorológicas tradicionales contienen
Ibid. Filtro para sensores SHT1x
Fuente: Hoja de datos en la pagina principal de Sensirion http://www.sensirion. basados en: “(1) la expansión térmica. Pag.com
La siguiente figura muestra el montaje típico controlado por un microcontrolador. Montaje típico del SHT1x / SHT7x
Fuente: Hoja de datos en la pagina principal de Sensirion http://www.
Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico. También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient). de mínima. debido a sus distintos comportamientos eléctricos. Según lo anterior se consideraron como alternativas de diseño aquellos sensores basados en la siguiente clasificación: 1. están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient).
. 3. Como la relación entre la resistencia y la temperatura para un termistor no es lineal. Estos dos metales son los más usados porque su resistencia muestra un aumento rigurosamente lineal con el incremento de la temperatura. Según afirma León “un tipo de sensor común en los programas de medición meteorológica in situ es el detector de temperatura por resistencia (DTR). principalmente el platino o el cobre. el termistor arroja un cambio de resistencia con la temperatura mayor que el DTR. Otro tipo de termómetro de cambio de resistencia es el termistor. Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente. Por lo general.termómetros de máxima. 2. que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. El DTR opera sobre la base de los cambios de resistencia de ciertos metales. estos sistemas generalmente están diseñados para usar una combinación de dos o más termistores y resistores fijos que permitan obtener una respuesta casi lineal sobre un rango específico de temperatura”. Resistivos: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura. termógrafos y psicrómetros. como una función de la temperatura. hecho a partir de una mezcla de óxidos metálicos fusionados entre sí.
La siguiente tabla resume los sensores de temperatura según sus características eléctricas y requerimientos de acondicionamiento de señal. Por estas razones. lo que podría considerarse un beneficio para el diseño en cuestión. Resumen de características de sensores de temperatura. 35. La tabla de la siguiente página resume las principales características de los diferentes tipos de sensores de temperatura. llamados termopares.
Tabla 16.com
A diferencia de los tres primeros tipos de sensor. Pag.
Sensor Termopar Características eléctricas Termopares parásitos Baja salida de voltaje Baja sensitividad Salida no lineal Resistencia de salida Baja resistencia (100Ω. típico) Baja sensitividad Salida no lineal Resistencia de salida Alta resistencia y sensitividad Drástica salida no lineal Alto nivel de voltaje o corriente a la salida Salida lineal Acondicionamiento de señal Compensación Cold-junction Gran amplificación Alta resolución Linealización Excitación de corriente Alta resolución Linealización Excitación de voltaje o corriente Resistencia de referencia Linealización Fuente de poder Ganancia moderada
Fuente: Hoja de datos en la pagina principal de Sensirion http://www. Los termopares también son susceptibles al voltaje espurio causado por la humedad.sensirion. su uso es limitado en las mediciones rutinarias de campo”17. el de semiconductor ofrece mejores características en cuanto a linealidad y facilidad en el acondicionamiento de señal. exige requerimientos especiales para evitar corrientes de inducción de fuentes cercanas de corriente alterna que podrían ocasionar errores en la medición.
.Otra consideración importante se refiere a la utilización de termopares y es la siguiente “la instalación de tales sensores.
Señal salida > termopar. frágil Baja resistividad.5 % ± 0.1 ºC ± 0.5 % ± 0. linealidad menor que sonda de resistencia
Baja temperatura máx. Sensores de temperatura y sus características
Elemento Térmico Bimetal Resistencia de: Niquel Platino Cobre Termistor
Deriva <1%/año
Alcance mínimo 28 ºC 50 ºC <11 ºC <3 ºC <1 ºC
Precisión Repetibilidad ±1 % ± 0. alcance estrecho. Caro. respuesta rápida
0. Mas caro que T o J Mas caro que K Pequeño tamaño respuesta rápida
Alta resistencia a corrosión de humedad. bueno en bajas temperaturas Bueno en atmósferas reductoras. Mayor estabilidad.3 . Antonio. Protegido es bueno en armósferas oxidantes
500 ºC 100 ºC 110 ºC 220 ºC 400 ºC 330 ºC
1 . Alcance estrecho.25 % ±1 % ± 0. Influido por la emisividad de los cuerpos Temperatura < 700 ºC Respuesta rápida y lecatura a bajas temperaturas. Termopar mas lineal.3 ºC ± 0.03 . compensación unión fría. frágil Más caro que el termopar o el termistor.3 % ± 0. ºC 500 500 300 950 120 400
Distancia Máx.4 . baja temperatura No lienal. Instrumentación Industrial.5 ºC 0.3 ºC/año <0.5% 0.11 ºC ~ 0. AlfaOmega Marcombo.05 ºC
Temperatura Máx. alta deriva sin envejecer
Ventajas Económico Económico Buena estabilidad. Pag.11 ºC ~ 0.
Oxidante .Reductora Reductora Oxidante Oxidante
Alcance amplio. relativamente independiente de la emisividad
Precisión muy elevada
Fuente: CREUSS. Mas económico Bueno en atmósferas oxidantes.0075
Muy buena ± 0.
Sin contacto con el material y buena repetibilidad
Respuesta rápida.11 ºC
Termopar de: Cobre-Constantán (T) Hierro-Constantán (J) Cromel-Alumel (K) Pt-Pt/Rd (R y S) Radiación de: Óptico Infrarojo Fotoeléctrico Total Relación Cuarzo
0. Es el más barato excepto óptico Atmósferas de polvo. excepto vapor Buena Escala expuesta a baja temperatura Excelente Buena Pobre
Atmósfera de Trabajo Depende del material del bulbo A proteger en liquidos y atmósferas corrosivas Cualquiera
Desventajas Sistema térmico voluminoso Medida local Bajo límite de temperatura.2% 0. al receptor 6m (Máx 25) <300m <1500m <1500m
Linealidad Si. respuesta rápida. Más preciso. Sensibilidad.01 ºC 0.005 ºC 0.03 ºC ± 0.11 ºC
370 550 1100 1600
Buena Buena Muy buena Buena a alta temp.25 % ± 0. 2004. varia con la cuarta potencia de la temperatura
El haz de radiación del objeto a la lente del pirómetro no debe interrumpirse
Pobre linealidad más caro que el termopar
Difícil determinar temperatura exacta. Sensibilidad excelente.25 Muy buena Muy buena Muy buena
6000 5000 5000 5000 250
Galvanométrico Limitado por Ω ext (Cables compens.Tabla 17.5 % ± 0. Barato Señal de salida>termopar y sonda de resistencia.0. pequeño tamaño. Medidas de precisión.05 ºC/año <0.)
Pobre.0. 294
.3 ºC
~ 0. Caro. vapor. Dificil determinar temperatura exacta.8% 1 .05 ºC Sin envejecer 1 ºC/año Envejecido <0.5 ºC/año a >11 ºC/año S/Atm Trabajo Tamaño y envejecimiento -
± 0.5 % ± 0.11 ºC ~ 0.
. De otra parte. Entidades como la Superintendencia de Industria y Comercio prestan el servicio de calibración mediante laboratorios de Metrología. un adecuado mantenimiento y calibración del instrumental. es factible utilizar instrumentos que sirvan como patrón para los sensores de medición instalados. ofreciendo mayor exactitud en la obtención de la medida del punto de rocío útil en algunos análisis del comportamiento climatológico y su efecto en las plantas. es necesario establecer algún mecanismo de ajuste para los sensores (posiblemente por software). los sensores de la familia SHT de Sensirion incorporan la medición de temperatura. los cuales a su vez deberán ser cotejados con otros instrumentos nacionales o internacionales para asegurar la calidad de las mediciones. aunque este trabajo no lo ha determinado. No obstante. cabe anotar que. otros fabricantes recomiendan tareas de calibración anuales.
3. con base en un resultado de calibración. Aunque el fabricante de los sensores ofrece un certificado de calibración que comprueba que el instrumento se entrega debidamente ajustado a la exactitud y comportamiento especificados. CALIBRACIÓN Y MANTENIMIENTO
En todo sistema de monitoreo climatológico. Según lo anterior. no indica un mecanismo de ajuste de calibración ni recomienda un intervalo para efectuar dicha tarea.3. Las características de exactitud.Como se dijo en la sección anterior. sensores y/o equipos es fundamental a la hora de garantizar la calidad de las mediciones efectuadas. o por lo menos hasta ahora no se ha obtenido dicha información (actualmente se está tratando de obtener esta información con el fabricante). además de la medición de humedad relativa en un solo chip. además por la facilidad de acondicionamiento y bajo consumo de energía. resolución y tiempo de respuesta del sensor de temperatura del SHT15 cumplen con los valores recomendados y lo hacen apropiado para el diseño.
Figura 21.4. DISPOSITIVOS
La solución diseñada se compone de tres tipos de dispositivos que conforman la red de monitoreo: Coordinador. Cuenta 53
. La siguiente figura muestra el funcionamiento de estos dispositivos en una red de monitoreo típica.
4.1. recepción y administración de datos de monitoreo climatológico
Módulos para medición de temperatura y humedad relativa. dentro del alcance máximo de transmisión inalámbrica
Repetidor Coordinador Computadora para configuración del sistema. Coordinador de red
Dispositivo cuya función es centralizar la recepción de datos y servir de vínculo entre la computadora y los nodos (módulos de medición) de toda la red.1. por fuera del alcance máximo de transmisión inalámbrica
Fuente: El autor. DISEÑO DE MÓDULOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓN
4.1. Módulo de medición y Módulo repetidor. Dispositivos que conforman una red de monitoreo típica
Módulos para medición de temperatura y humedad relativa.
1. Alimentado por baterías recargables para funcionamiento autónomo en intervalos cortos de tiempo (algunos días).0 V
VIN MCP1701 2 3 DB9 R2OUT T2IN MAX232 R2IN T2OUT RC0 RC1 RC2 RC3 RX TX PIC16LF688 SCL SDA 24LC256 RC0 RC1 RC2 RC3
VOUT 3. así como las funciones generales del coordinador. y un segundo microcontrolador dedicado a gestionar las comunicaciones a través del módulo de RF.1. Diagrama funcional del módulo Coordinador. Téngase en cuenta que este segundo microcontrolador debe estar lo más libre posible para gestionar eficientemente la recepción de datos desde los módulos de medición.
. 4. sirviendo principalmente como buffer de datos. Aunque sería factible utilizar un solo microcontrolador para gestionar todas las funciones del módulo.0V 5.3 V
Vbat 9V VIN MCP1701 VOUT 5. Diagrama funcional del circuito. El circuito está comandado por dos microcontroladores PIC16LF688. uno dedicado a la transmisión entre módulo y computadora.con capacidad de almacenamiento suficiente para almacenar datos de manera autónoma en caso de estar desconectado de la computadora y no cuenta con elementos sensores (solamente almacena los datos de los demás dispositivos y los transmite a la computadora).1.
3. Se requeriría de un solo Coordinador de red para cada finca.3V
RX TX RA2 RA0 RA1 PIC16LF688
DO DI SLEEP MÓDULO RF ETRX1
Fuente: El autor. se consideró más apropiado disponer dos.
INICIO Configurar puertos E/S. Diagrama de flujo del módulo coordinador gestionando nodos de la red.1. Diagrama de flujo para el PIC16LF688 en el Coordinador El diseño incluye dos microcontroladores con el propósito de que uno de ellos gestione la comunicación del coordinador con la computadora y el otro esté
Figura 23. 4. osciladores y UART El coordinador espera reporte de los nodos de medición.
. el coordinador recibe el dato y lo almacena en la tabla correspondiente NO ¿Cmd=Lectura? ¿Pendiente cambiar config? NO ¿RX respuesta? Almacenar datos en tabla TX Nada SI Quitar estado pendiente en config SLEEP El coordinador permanece en estado de bajo consumo hasta que recibe alguna interrupción por el canal de transmisión NO SI TX nueva configuración Buscar en listado de configuración Si hay cambios pendientes se envía la nueva configuración
RX Cmd SI ¿Cmd=0? NO
Fuente: El autor. Cuando se conecta un nodo.1. SI ¿Cmd=RQ? NO Si el nodo de medición se reportó para transmitir lectura de medición.Como muestra el diagrama.2. se busca en tabla de configuración si hay cambios de configuración pendientes por aplicar. se utiliza una memoria EEPROM de 32KB para almacenar localmente los datos de las mediciones y parámetros de configuración de los nodos.
se ejecuta la tarea y se retorna una respuesta
NO Los comandos que puede enviar la computadora son:  Obtener numero de nodos  Obtener número de registros  Leer configuración de nodo  Escribir configuración de nodo  Vaciar registros de la memoria
¿Finalizó conexión con la computadora? SI
Fuente: El autor.exclusivamente dedicado a atender a los módulos de medición de la red. Se sitúa un 56
Monitorear el puerto hasta que haya conexión de la computadora
Leer puerto NO ¿Computadora se conectó? SI NO ¿Computadora envió comando? SI Analizar comando Enviar respuesta a la computadora según comando Si la computadora envía un comando se verifica que tipo de comando es.2. A continuación se indica la secuencia de pasos que debe seguir el coordinador para llevar a cabo estas tareas. Módulo de medición
Dotado con sensores para la medición de temperatura y humedad relativa con potencia para transmitir datos en rangos de hasta 135 metros. Diagrama de flujo de sincronización con el programa de Servicio.1. Es alimentado por baterías de 9 voltios con duración esperada de 8 meses a 1 año.
es decir. 4. regulador con muy baja disipación de energía. el microcontrolador y el módulo de transmisión inalámbrica se alimentan a 3.1. Diagrama de pines del microcontrolador PIC16LF688. Figura 26. Diagrama funcional del circuito El sensor de temperatura y humedad relativa. en cada bloque o el número que se considere conveniente de acuerdo a las necesidades específicas de cada cliente.3 V SCK DATA VIN MCP1701 VOUT 3. El PIC16LF688 almacena los parámetros de medición del módulo y según estos parámetros obtiene la medición del sensor y transfiere los datos al coordinador mediante el módulo de transmisión RF. garantizando además que sensor y módulo de transmisión se mantengan en modo de bajo consumo.módulo de medición en cada una de las áreas productivas de la finca. Diagrama funcional del módulo de medición.
Figura 25.com
Vbat 9V 3.
Fuente: Hoja de datos en la pagina principal de Microchip http://www.1.3V SHT15 RC1 RC2 RX TX RCO PIC16LF688 DO DI SLEEP MÓDULO RF
Fuente: El autor.2.3 VDC regulados por medio del MCP1701.
efectuar mediciones y transmitir los datos de las mediciones. 4. en este caso al coordinador). la tasa de muestreo debe ser múltiplo de la tasa de reporte. el microcontrolador almacena los datos correspondientes al intervalo de tiempo al cual se reporta al módulo coordinador. Entre mayor sea la tasa de reporte.2. y el intervalo al cual debe efectuar mediciones.2. El microcontrolador (y el módulo) permanecen ‘activos’ la mayor parte del tiempo. mayor el tiempo de latencia del sistema. el módulo de medición debe estar reportándose continuamente al coordinador (por defecto se configuró una tasa de reporte de 5 segundos) para cambiar dicha configuración garantizando una latencia de tiempo real del sistema.4 para configurarlo en modo de comunicación unicast. se deben enviar los comandos al módulo IEEE802. El siguiente diagrama muestra el modo de operación del microcontrolador. Nótese que los módulos RF pueden transmitir en modo broadcast (los mensajes son transmitidos a todos los nodos de la red) o en modo unicast (los mensajes se direccionan a un nodo específico. como consecuencia. Diagrama de flujo para el PIC16LF688 en el módulo de medición En condición normal de funcionamiento. determinada por la tasa de reporte (por defecto 5 segundos). Adicionalmente. Debido a que esta configuración de intervalos varía cuando el usuario lo determina.1. configurar el módulo del timer 1 para trabajar con un cristal de 32768 Hz y el puerto serie (UART) para comunicarse en modo asíncrono a 9600 baudios.
.La configuración del microcontrolador consiste en establecer la dirección de los puertos de E/S. configurar el oscilador interno para trabajar a 4 MHz. Debe tenerse en cuenta que la tasa de reporte determina el ‘tick’ del módulo y.15. activándose únicamente para reportarse al coordinador. sin paridad y 8 bits de datos.
por encontrarse a largas distancias (en la práctica y según el caso. es posible que un módulo tenga 59
. Tm es el número de ticks para hacer la medición.
¿T=Tm? SI T=0
TX TEMP.Figura 27.1. T=0 RQ es la secuencia para indicar al coordinador que el nodo se reporta TX RQ RX Cmd Tup es la unidad de medida del tiempo (tick).3. VBat
Se efectúa la medición y se envían datos al coordinador
Configurar puertos E/S.
4. Por defecto es 5 s. T es el registro temporizador. Tup=5. HR. Diagrama de flujo para el módulo de medición. pues su función es únicamente la de retransmitir datos que no alcanzan a ser transmitidos desde algunos módulos de medición. chequeo de baterías o cambio de Tup y Tm. (120 equivale a 10 minutos) El módulo espera una respuesta válida del coordinador El procedimiento RX retorna 0 si hay time-out
¿Cmd=0? NO Procesar Cmd TX Rta SLEEP T=T+1 El PIC se configura para que salga del modo de bajo consumo por interrupción del temporizador Esta condición indica que se debe efectuar la medición Cmd puede ser una medición. Módulo repetidor
Este dispositivo no cuenta con sensores para medición de variables
climatológicas. osciladores y UART Tm=120.
activándose solamente cuando debe realizar mediciones y transmitir los datos al coordinador. METODOLOGÍA DE MONTAJE EN CULTIVO
Durante la etapa de implementación de la solución. conectado a la computadora desde 60
. Esto reduce el circuito a los siguientes componentes. Este circuito es el más simple de todos. Así mismo. el cual la mayor parte del tiempo permanece en estado ‘sleep’ de bajo consumo. a diferencia del módulo de medición. de acuerdo a las necesidades de cada cliente.función de medición y de repetidor al mismo tiempo. optimizando al máximo los rangos de transmisión en la medida de lo posible mediante una colocación adecuada.2. este dispositivo debe ser alimentado con baterías recargables de alta capacidad o por la red eléctrica si se dispone de ella.3 V DO DI SLEEP MÓDULO RF
VOUT 3. en este caso deberá estar posiblemente alimentado por la red AC).3V
Fuente: El autor. Diagrama de flujo para el módulo repetidor. se instala un módulo coordinador de red por finca. los obstáculos físicos y demás fuentes de interferencia. se sitúan cada uno de los módulos de medición en los bloques correspondientes de las fincas. A diferencia del módulo de medición. dependerá de la disposición geográfica de los bloques de cada finca. debido a que este tipo de módulo debe estar en constante escucha de mensajes de los demás nodos de la red.
Figura 28. El número de módulos repetidores necesarios en la red. dado que la funcionalidad de repetición va incorporada en el stack en el mismo módulo RF.
la única labor del usuario (que será la persona o personas de la finca que estén al frente o hagan uso del sistema) se basará en tareas. • A diferencia de muchas soluciones importadas. Finalmente y de acuerdo a la distribución geográfica de la finca. pues no se requiere cableado y la detección de fallas no resulta dispendiosa. • No se necesita de personal para recolectar y descargar los datos al sistema. • La incorporación de tecnología inalámbrica reduce casi por completo los costos asociados a la instalación y el mantenimiento de una red de monitoreo. implementados en diversas fincas productoras y exportadoras de flores de la sabana de Bogotá. Una vez se hayan hecho las pruebas necesarias y se haya puesto en marcha el sistema. control y mejoramiento del proceso productivo. se instalan módulos repetidores en los lugares donde lo amerite.donde se administra el sistema. tales como la de definir los intervalos en los que cada módulo de medición deba efectuar mediciones. fuentes de interferencia y obstáculos físicos.
4. • Es posible reorientar las labores de personal involucrado en recolección manual de datos (descarga de registradores) hacia labores de análisis. configurar umbrales para la generación de alarmas y demás parámetros de funcionamiento del sistema. lo cual hace que la toma de decisiones en instantes críticos (como dejar personal en las horas de la noche para control de heladas) sea mucho más oportuna. un efectivo servicio de soporte técnico 61
. una solución de ingeniería colombiana permite al agricultor contar con una completa asistencia en la implementación.3. BENEFICIOS
• Se dispone de información en tiempo real para responder de manera eficiente a variaciones climáticas que afecten las condiciones óptimas del proceso productivo de las fincas. Estas ventajas no son posibles de lograr con sistemas de monitoreo por lotes.
generación de alarmas por niveles críticos de temperatura y humedad. tales como el pronóstico de heladas. viento. CO2. • Mediante procesos eficientes de monitoreo se facilita la certificación de las fincas en programas como FlorVerde. de gran importancia dentro del gremio floricultor en términos de sostenibilidad y competitividad. captura de datos en campo.
4.1. procesamiento.) para el tratamiento. APLICABILIDAD FUTURA
4. expansiones y mejoramiento futuro. entre otras. etc. • El sistema constituye una red inalámbrica que puede usarse en el futuro no solo para el sistema de monitoreo de temperatura y humedad. así como la correspondiente garantía. almacenamiento y empaque de sus productos. reemplazo de cableado en sistemas existentes. Se pretende ofrecer a la industria módulos registradores inalámbricos que permitan medir diversas variables físicas en todos los ambientes de manera eficiente dando respuesta a las necesidades tecnológicas actuales. transformación. entre otras. para fines inalcanzables con sistemas tradicionales de monitoreo por lotes.4.4. humedad suelo. iluminación. sino también para control y automatización de otros procesos (control de cortinas. la industria requiere de soluciones dirigidas a la supervisión de variables físicas dentro de instalaciones (poscosechas. sistemas de alarma. gozando además de las posibilidades de desarrollo en hardware y software para adaptaciones. • Posibilitar el tratamiento de los datos obtenidos de las mediciones efectuadas en invernadero. consulta de datos por Internet. Monitoreo de variables en procesos industriales
Además del tema climatológico en cultivos. 62
. monitoreo de otras variables como radiación. bodegas. mandos inalámbricos etc.).para cualquier tipo de reparación o reemplazo.
y especialmente en las labores de mantenimiento. instalación y mantenimiento del cableado tiene una participación de 50% del costo total del sistema (en el caso de cable por cada válvula)”18. entre otras.2.4. producirá un gran impacto en el sector agrícola en general. protección contra el agua. La programación y control del sistema se efectúa desde un computador de escritorio. No obstante. Control automático de riego en cultivos
La operación básica de un sistema de control de riego consiste en activar de manera secuencial electroválvulas para aplicar agua en el cultivo. monitoreo de presión y caudal en la tubería y manejo de la fertilización. aún persiste el problema de hacer una instalación para el cableado (los 4 hilos). Dotar de tecnología inalámbrica a los sistemas automáticos de riego actuales.4. reduciendo de manera notable los costos involucrados en instalación de cables. motores y sistemas de monitores de variables utilizando como medio de comunicación y alimentación una red cableada de 4 hilos.
Información proporcionada por el Departamento de Ingeniería de Coltein Ltda
. combinado con el arranque de motobombas. Todos los inconvenientes anteriores son solucionables. “La reducción de cableado (red de 4 hilos) y el uso de un controlador en cada válvula reduce enormemente el costo del cableado (ya que no se necesita un cable por válvula). el cual se comunica con un control central que es el encargado de interactuar con los controladores de válvulas. facilita el mantenimiento preventivo y correctivo del sistema y reduce el costo total del sistema ya que el costo inicial. tuberías conduit enterradas. pero sigue el inconveniente de tener que hacer una instalación. lo cual exige uso de canaletas. puestas a tierra y problemas con descargas eléctricas atmosféricas sobre el cableado.
79 0.47 C 10 16. Análisis de consumo módulo inalámbrico.15
mA mA mA % % % mA
Fuente: El autor.72 0. A continuación se muestra el efecto directo que tiene el consumo de cada dispositivo en la autonomía general del sistema de monitoreo.15 0.59 0. entre otras cosas.
.2 3.9 1 727.53 612 0.
Tabla 18.05 0.2 3. Teniendo en cuenta.015 30 30 0.07 0.98 612 1. ANÁLISIS DE CONSUMO DE ENERGÍA
Uno de los puntos más críticos a la hora de diseñar los módulos de medición es precisamente el tema de los consumos de energía.2 3.015 30 30 0.02 0.05 612 0. que le brinden autonomía de hasta 1 año o más.84 D 15 16.748 15 0.65 612 0.27 0.60 0. una red de medición inalámbrica con alto consumo de energía y poco tiempo de autonomía sería inaceptable.11 0.748 15 0. sino además las tareas relacionadas con mantenimiento de la red de monitoreo. es necesario operar los dispositivos con baterías.17 0.20 0.4.748 15 0.2 3.13 0.015 30 30 0.
Tiempo Sleep Idle/Receive Transmitiendo # bytes transmitidos Consumo del sistema Sleep Idle/Receive Transmitiendo Comparación consumo Sleep Idle/Receive Transmitiendo Promedio de consumo Objetivos Eficiencia del sistema Vida de batería requerida Capacidad de batería requerida Capacidad de batería dada Tiempo de batería estimado años mAh mAh años Unds s ms ms A 1 16. que muchos cultivos no cuentan con instalaciones eléctricas y por lo tanto.10 B 5 16.65 0.9 1 533.18 0.5. Ya que el usuario espera reducir no sólo los costos relacionados con instalaciones de cable.9 1 1306.015 30 30 0.748 15 0.14 0.9 1 5858.
Para la primera serie de pruebas se utilizó una calculadora Hewlett Packard 48GX para tener una forma de revisar constantemente las mediciones efectuadas por el circuito. Se notó un comportamiento acorde con el principio general de que aumentos de temperatura se acompañan de descensos en la humedad relativa y viceversa. La calculadora solicitaba mediciones en intervalos de un minuto. Durante esta primera serie de pruebas no se dieron errores en el proceso de lectura. La siguiente figura muestra una gráfica con los datos de las mediciones para tres intervalos de tiempo con una tasa de muestreo de un minuto. almacenando los datos de las mediciones en memoria RAM.
.Fuente: El autor.
Se efectuaron dos series de mediciones en ambiente cerrado.
La tabla siguiente resume los resultados obtenidos de la primera serie de mediciones.
Intervalo 25/10/05 20:00:02 26/10/05 09:49:01 26/10/05 20:22:01 27/10/05 10:00:01 28/10/05 20:30:02 30/10/05 16:04:06 Número de lecturas 830 812 2615 Observaciones Todas las lecturas correctas Todas las lecturas correctas Todas las lecturas correctas
Fuente: El autor. con un total de 4257 lecturas.
Tabla 20. Gráfico de primera serie de resultados de medición de temperatura y humedad relativa.
Fuente: El autor. Resumen de mediciones iniciales.Figura 31.
se efectuó un 70
. se obtuvieron errores en las últimas lecturas y un error considerable en el reloj implementado por microcontrolador. y verificar los algoritmos de lectura del sensor y escritura en memoria. Luego de revisar las rutinas de medición. Gráfico de la segunda serie de resultados de medición de temperatura y humedad relativa. Los datos de las mediciones se pueden apreciar en la siguiente gráfica.
Fuente: El autor. con el propósito de evaluar la calibración de reloj del microcontrolador. se determinó que el error era debido a un retardo excesivo en la rutina de llamada a la función del Timer1.
Para el primer intervalo de medición.Una segunda serie de pruebas se efectuó con el circuito autónomo. En los siguientes intervalos no se tuvieron errores en las lecturas una vez se corrigieron las rutinas. como puede verse en la siguiente tabla resumen. es decir. sin intervención de la calculadora. Al final.
La siguiente tabla resume los resultados.
Intervalo 11/11/05 20:35:04 15/11/05 17:35:04 16/11/05 20:00:05 17/11/05 10:00:05 17/11/05 19:55:05 18/11/05 11:41:05 18/11/05 20:29:05 22/11/05 17:38:05 22/11/05 20:16:05 28/11/05 11:18:05 Número de lecturas 5581 Observaciones Ultimas 16 lecturas incorrectas Error de 52 minutos (Rutina de llamada a la función de Timer1 estaba tomando más del tiempo admisible de 150 us) Todas las lecturas correctas Adelanto de 150 ms Todas las lecturas correctas Adelanto de 200 ms Todas las lecturas correctas Adelanto de 700 ms Todas las lecturas correctas Adelanto de 900 ms
841 947 5590 8103
Fuente: El autor.062 mediciones.total de 21. Resumen de la segunda serie de mediciones.
Diseñar el software que permita monitorear los datos en tiempo real. u otras situaciones.1. diagnosticar el estado del sistema y almacenar registros históricos de los datos. CONSIDERACIONES GENERALES
Debido a la necesidad de obtener información sobre el comportamiento de las variables físicas del invernadero. se ha diseñado un software para monitorear dichas variables que permita un mejor análisis de la respuesta productiva del cultivo. MODELO DE REQUISITOS
5. roturas de las cubiertas plásticas. El software del sistema de monitoreo no solamente va a cumplir una función de registro automático y almacenamiento de datos climatológicos. DISEÑO DE SOFTWARE
5. sino que debe además estar diseñado para permitir al director del cultivo o al operario encargado del mismo. ofrecer al usuario una forma de configurar parámetros de funcionamiento.2. En cuanto a las tareas de configuración el usuario debe poder: • • Definir tasas de muestreo de temperatura y humedad relativa Establecer fecha y hora de inicio de medición para cada nodo o grupos de nodos 72
5.1. y así constituirse como una herramienta para responder de manera oportuna a fenómenos tales como variaciones perjudiciales debidas a cambios físicos producto de cambios climatológicos. estar al tanto de la variación del comportamiento climatológico del cultivo.2.
Se requiere entonces: • • • • Descargar datos del módulo coordinador.2. Una base de datos almacenará toda la información de registros de mediciones.
En el tema de diagnóstico el usuario debe estar en capacidad de: • • • Mostrar configuración actual de cada uno de los nodos Mostrar estado de la batería de cada nodo Iniciar o detener la operación del sistema de monitoreo
Finalmente. el software debe registrar y almacenar de manera organizada toda la información relacionada con los datos de las mediciones registradas por el sistema de monitoreo y facilitar la información al usuario.• • •
Definir intervalos de reporte al coordinador de los nodos de medición de la red Definir umbrales mínimo y máximo de temperatura y humedad relativa a los cuales el sistema debe generar una alarma Definir tasas de incremento y decremento máximo de temperatura y humedad relativa a los cuales el sistema debe generar alarmas. alarmas y configuración de los nodos. a un intervalo de tiempo especificado Almacenar los datos de las mediciones en la base de datos Registrar en la base de datos los sucesos debidos a alarmas Permitir la exportación de los datos para uso por parte de los operarios o encargados del cultivo
5. Como administrador de servicios se entiende la aplicación del sistema operativo 73
. cada vez que se conecta.2. En primer lugar el usuario: que es el agrónomo. director o encargado del cultivo y quien opera directamente el sistema. Diagrama de casos y usos
Para el siguiente diagrama de casos y usos se han identificado 4 actores principales que interactúan directamente con el software.
3. Diagrama de clases
El siguiente es el diagrama de clases para el sistema diseñado.
. el módulo coordinador como último actor. el cual comanda los nodos de la red inalámbrica y suministra los datos de las mediciones al sistema para beneficio del usuario.
Figura 33.encargada de administrar. iniciar o detener aquellas aplicaciones que operan en segundo plano. Finalmente. Diagrama de casos y usos
Iniciar / Detener Servicio
Configuración Nodos Usuario
Módulo Coordinador
Consultar Estado include Consultar Datos Base de datos Exportar Datos Descargar Datos
Una segunda aplicación. Diagrama de clases
VARIABLES Atributos Nombre Métodos Crear Eliminar Leer atributos Modificar atributos
REGISTRO MEDICIÓN Atributos Variable Nodo Fecha/Hora Valor Métodos Crear Eliminar Leer
CONFIGURACION NODO Atributos Nodo Variable Fecha/Hora/Inicio Monitoreo Tasa muestreo Umbral mínimo Umbral máximo Tasa incremento Tasa decremento Métodos Leer configuración Modificar configuración
Atributos Variable Nodo Fecha/Hora Suceso Métodos Crear Eliminar Leer
Atributos Nombre Dirección Tasa de reporte Métodos Crear Eliminar Leer atributos Modificar atributos
SUCESO Atributos Nombre Métodos Crear Eliminar
Fuente: El autor. Se han diferenciado dos núcleos principales para el software de monitoreo.3.1. se ejecuta en segundo plano sin 75 intervención del usuario.
5. Diagramas de secuencias
Se han identificado las siguientes secuencias de funcionamiento del software. operando
.3. MODELO DE ANÁLISIS
5.Figura 34. El primero de ellos es lo que se ha definido como la aplicación cliente la cual es una aplicación con interfaz de usuario que actúa bajo demanda del mismo y que permite interactuar directamente con la red de monitoreo.
quien selecciona la opción de inicio o detención del sistema desde el entorno general. La pantalla principal envía el evento Iniciar o Detener Servicio al Manejador Iniciar o Detener Servicio y este lo envía al Administrador de Servicios. S. Cliente
Interface de Administrador de servicios
2: Solicitar inicio fin servicio 5: Iniciar o detener servicio
1: Desplegar Pantalla General 3: Solicitar Inicio o Fin Servicio 4: Desplegar Pantalla I.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Precondiciones Flujo principal Iniciar y detener sistema Usuario. Administrador de Servicios Permite al usuario poner en marcha o detener la red de monitoreo Este caso de uso es iniciado por el usuario. Ninguno Si el administrador de servicios no logra poner en marcha la aplicación de servicio.
. 5.1. Iniciar y detener sistema
Tabla 22. Flujo principal del caso de uso Iniciar y detener sistema.permanentemente para los procesos de descarga automática de datos desde los nodos de la red. La Interface Usuario envía el evento Salir al Manejador Principal.1. el usuario recibe notificación de este suceso.
Subflujos Excepciones
Fuente: El autor. Diagrama de secuencia Iniciar y detener sistema
Manejador Iniciar o Detener Servicio
Manejador Ppal. La Pantalla General se despliega. Espera a que el Administrador de Servicios le envíe una respuesta de confirmación y la hace llegar al usuario por medio del Manejador Iniciar o Detener Servicio y la Interface de Usuario. 6: Iniciar o detener servicio
7: Iniciar o detener servicio
8: Iniciar o detener servicio 9: O K
10: O K 11: O K 12: Salir
Fuente: El autor.Aplic. El Manejador Principal sale del sistema. la Pantalla General envía el evento Salir a la Interface Usuario. de acuerdo a sus necesidades Ninguna El manejador principal solicita Desplegar Pantalla General a la Interface Usuario.3. La Interface Usuario despliega la Pantalla General. F. Figura 35. Si la actividad seleccionada es Salir. El Usuario puede seleccionar entre Iniciar o Detener servicio.
la Pantalla General envía el evento Salir a la Interface Usuario. 7: Devolver Información
9: Modificar
8: Mostrar Info. Nodo
3: Solic. Flujo principal del caso de uso Configurar nodos. Pantalla 10: Modificar 11: Guardar Datos 12: Guardar Datos
13: Salir
Fuente: El autor. tales como tasas de muestreo. Info.
. Config. Figura 36. Info. Nodo 6 Devolv. El usuario solicita información de uno de los nodos de la red. El Usuario puede seleccionar el nodo que quiere configurar. La Interface Usuario despliega la Pantalla General. Inf.3. Configurar nodos
Tabla 23. Nodo 5: Solic. Nodos 1: Desplegar Pantalla General
Manej. Ninguna El Manejador Principal solicita Desplegar Pantalla General a la Interface Usuario. La información es desplegada en pantalla y el usuario modifica las opciones de configuración si así lo desea. umbrales de alarma y tiempo de inicio de funcionamiento.Ppal Ap. El Manejador Principal sale del sistema. Ninguno Ninguna
Fuente: El autor. La Pantalla General se despliega. base de datos Permite al usuario ver y modificar los parámetros de funcionamiento de cada uno de los nodos de la red de monitoreo. El usuario modifica la información y la Interface Usuario envía el evento Modificar al Manejador Configuración Nodos quien envía el evento Guardar datos a la Interface Base. La interface Base devuelve la información al Usuario por medio del Manejador de Configuración de Nodos y despliega la información en pantalla por la Interface Usuario. Nodo 4: Solic. La Interface Usuario envía el evento Salir al Manejador Principal.2.1. Si la actividad seleccionada es Salir. Diagrama de secuencia Configurar nodos
Manej. Info.5.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Precondiciones Flujo principal Configurar nodos Usuario. La Interface de Usuario envía el evento Solicitar Información Nodo a la Interface Base por medio del Manejador de Configuración de Nodos. Cliente
2: Solicitar Inf.
caso en el cual informa al usuario.3. base de datos Permite al usuario verificar el estado actual de funcionamiento del sistema El usuario selecciona un nodo y la aplicación despliega información relacionada con la medición actual de cada nodo para cada variable. Nodo 3:Solic. La Pantalla General se despliega. el nivel de batería y si el nodo está operando correctamente. La Interface Usuario envía el evento Solicitar Información Nodo a la Interface Base por medio del Manejador de Configuración de Nodos. El Usuario puede seleccionar el nodo cuyo estado quiere consultar. Info. Info. Nodo 4: Solic.1.
. El Manejador Principal sale del sistema. Figura 37. Consultar estado
Tabla 24. Cliente
Interface Base de datos
1: Desplegar Pantalla General 2: Selec. en Pantalla 7: Devolver Información
Fuente: El autor. Flujo principal del caso de uso Consultar estado. Diagrama de secuencia Consultar estado
Manejador Consultar Estado
Manejador Ppal. 9: Salir 8: Mostrar Info. la Pantalla General envía el evento Salir a la Interface Usuario. Ninguno La aplicación cliente puede verificar que la aplicación de servicio ha dejado de almacenar datos a la base como consecuencia de una pérdida de comunicación con la red de monitoreo.5. Info. La interface Base devuelve la información al Usuario por medio del Manejador Consultar Estado y despliega la información en pantalla por la Interface Usuario.Aplic. La Interface Usuario despliega la Pantalla General. Nodo 6: Devolv.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Precondiciones Flujo principal Consultar estado Usuario.Info. Ninguna El Manejador Principal solicita Desplegar Pantalla General a la interface Usuario.3. Si la actividad seleccionada es Salir.
Fuente: El autor. La Interface Usuario envía el evento Salir al Manejador Principal. Nodo 5: Solic.
Pantalla 7: Devolver Información Nodo
Fuente: El autor. La Interface Usuario envía el evento Salir al Manejador Principal. Consultar datos
Tabla 25. Ninguno Ninguna
Fuente: El autor.Info. El Manejador Principal sale del sistema. Nodo 4: Solicitar Información Nodo 5: Solic.3. La Pantalla General se despliega. base de datos Poner a disposición del usuario datos de las mediciones efectuadas por la red de monitoreo. Flujo principal del caso de uso Consultar datos. La interface Base devuelve la información al Usuario por medio del Manejador Consultar Datos y despliega la información en pantalla por la Interface Usuario. Nodo 6: Devolv. La Interface Usuario despliega la Pantalla General. El usuario elige un nodo cuya información quiere consultar. 9: Salir 8: Mostrar Inf.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Precondiciones Flujo principal Consultar datos Usuario. Diagrama de secuencia Consultar datos
Manejador Consultar Datos
Manejador Ppal. Cliente
1: Desplegar Pantalla General 2: Selec. Info.1. La Interface Usuario envía el evento Solicitar Información Nodo a la Interface Base por medio del Manejador Consultar Datos. Especifica los parámetros de consulta y la pantalla despliega datos de las mediciones y gráficos de comportamiento climatológico a través del tiempo.
. Nodo 3: Solic. Ninguna El Manejador Principal solicita Desplegar Pantalla General a la interface Usuario. Si la actividad seleccionada es Salir.5. Figura 38.4. la Pantalla General envía el evento Salir a la Interface Usuario. El Usuario puede seleccionar el nodo cuya información desea consultar ingresando los parámetros de búsqueda de acuerdo a sus necesidades.Aplic. Info.
Si la actividad seleccionada es Salir. Ninguno Ninguna
Fuente: El autor. Diagrama de secuencia Exportar datos
Manejador Exportar Datos
Manejador Ppal. Pantalla 10: Guardar como 11: O K 7: Devolución Info. de acuerdo a sus necesidades Ninguna El Manejador Principal solicita Desplegar Pantalla General a la Interface Usuario. El Manejador Principal sale del sistema.Info. la Pantalla General envía el evento Salir a la Interface Usuario. Nodo
9: Guardar como
12: Salir
Fuente: El autor. La interface Base devuelve la información al Usuario por medio del Manejador Exportar Datos y despliega la información en pantalla por la Interface Usuario. base de datos Brinda la opción al usuario de exportar los datos almacenados en la base de datos a archivos planos y al portapapeles. Flujo principal del caso de uso Exportar datos. La Pantalla General se despliega. La Interface Usuario despliega la Pantalla General.1.5. Figura 39.Info.Info. La Interface de Usuario envía el evento Solicitar Información Nodo a la Interface Base por medio del Manejador de Configuración de Nodos.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Precondiciones Flujo principal Exportar datos Usuario. Este caso de uso es iniciado por el usuario.5. Nodo 5: Solic.3. El Usuario puede seleccionar el nodo y los intervalos o filtros de consulta.Nodo e intervalos
1: Desplegar Pantalla General 3: Solic. Si el Usuario solicita la actividad Guardar la Interface Usuario envía el evento Guardar al Manejador Exportar quien envía una confirmación al Usuario por medio de la Interface Usuario. quien selecciona la opción de inicio o detención del sistema desde el entorno general.Aplic. Cliente
2: Selec.
. Exportar Datos
Tabla 26. La Interface Usuario envía el evento Salir al Manejador Principal.Nodo 8: Mostrar Inf.Nodo 6: Dev.Nodo 4: Solicitar Info.
Si hay información de configuración pendiente por enviar a la red de monitoreo. El Manejador Enviar Configuración envía Solicitud de Información de Configuración Pendiente a la Base de datos por medio de Interface Base. de modo que la aplicación de servicio esté operando El Administrador de Servicios solicita Iniciar Sistema al Manejador Principal. Este solicita Enviar Configuración al Manejador Enviar Configuración. por lo cual es factible que la configuración pendiente por establecer no sea transmitida. de Interface Man Enviar Servicios Adm. Figura 40. Si hay cambios pendientes por establecer. Ninguno La aplicación de servicio puede perder comunicación física con la red de monitoreo. 1: Iniciar Sistema
Manej. quien envía una confirmación al Manejador Principal por medio de Manejador Enviar Configuración.
Fuente: El autor. Enviar configuración
Tabla 27.3. quien devuelve la información solicitada al Manejador Enviar Configuración. El usuario debe haber puesto en marcha el sistema previamente.5. Ppal Apl.
. Servic. los obtiene de la base y los transmite a la red de monitoreo. Servicio
Interface Base Datos
Interface Coordinador
2:Solic Env Config 3:Solic Info Config Pendiente 4: Solic Info Config Pendiente 6: Devolv. el Manejador Enviar Configuración envía la configuración al Módulo Coordinador por medio de Interface Coordinador.1. base de datos y módulo coordinador Mantener sincronizados los parámetros de configuración del sistema entre lo que especifica la base de datos y lo que tiene la red de monitoreo La aplicación de servicio se mantiene funcionando en un ciclo indefinido donde consulta en la base de datos la información relacionada con cambios que ha hecho el usuario en los parámetros de configuración de funcionamiento del sistema. Info Config Pendiente 8: Enviar Configuración Pendiente 9: O K
7: Enviar Configuración Pendiente
10: O K 11: O K
Fuente: El autor. Diagrama de secuencia Enviar configuración
Admin. Configur.6. Info Config Pendiente 5: Devolv.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Enviar configuración Administrador de servicios. Flujo principal del caso de uso Enviar configuración.
Caso de uso Actores Propósito Resumen Descargar datos Administrador de servicios. base de datos. Datos 16:Dev.Datos 14: Solicitar Datos 15: Devolver Datos
4: Descargar Datos 5: Devolver Datos 8: Guardar Datos 9: O K
Fuente: El autor. La aplicación de servicio permanece en un ciclo indefinido donde solicita datos al módulo coordinador y los almacena en la base de datos. Datos Servicio
Manej.
. En cada ciclo.7. Diagrama de secuencia Descargar datos
Admin. módulo coordinador Almacenar en la computadora los datos de las mediciones efectuadas por la red de monitoreo. por lo cual la aplicación reintenta la descarga de datos en el siguiente ciclo de conexión. El Manejador Descargar Datos envía Descargar Datos al Módulo Coordinador por medio de Interface Coordinador. Servicios
Manejador Manej. El Manejador Descargar Datos envía Guardar Datos al Manejador Base quien envía una confirmación al Manejador Principal por medio de Manejador Enviar Descargar Datos. El usuario debe poner en marcha el sistema para que opere la aplicación de servicio El Administrador de Servicios solicita Iniciar Sistema al Manejador Principal.3.1. de Servicios
Interface Admin. El Manejador Principal solicita Analizar Datos al Manejador Registrar Alarmas quien solicita datos a la base de datos por medio de Interface Base. quien devuelve los datos solicitados al Manejador Descargar Datos. Analiz Datos 17: O K 13: Solic. Descargar datos
Tabla 28. 3: Descargar Datos 6: Devolver Datos 7: Guardar Datos 10: O K 11: O K 12: Solic. generando las alarmas correspondientes de acuerdo a los datos descargados. Figura 41. Este solicita Descargar Datos al Manejador Descargar Datos. Interface Base devuelve lo datos al Manejador Registrar Alarmas quien envía una confirmación al Manejador Principal Ninguno Puede ocurrir una pérdida de comunicación física entre computadora y módulo coordinador durante el proceso de descarga de datos. Desc. Registrar alarmas
Base de Módulo datos Coordinador
1: Iniciar Sistema 2: Solic. coteja los datos frente a los parámetros de umbrales de alarma para saber si es necesario generar una alarma que se despliegue en pantalla o suceso que se almacene en la base de datos.5. D.
Fuente: El autor. Descargar Ppal Apl. Flujo principal del caso de uso Descargar datos.
así como su estado de configuración (para saber si hay 83
.4. La tabla GRUPOS se incluyó con el propósito de definir grupos de nodos que facilite la aplicación de valores de configuración a varios nodos en solo paso. en este caso temperatura y humedad relativa. ej.
Conceptualmente el modelo puede subdividirse en los siguientes grupos principales:
5. BASE DE DATOS Y MODELO ENTIDAD-RELACION
La siguiente figura muestra una vista del diseño del modelo entidad relación para la consecución de los requerimientos planteados:
Figura 42. GRUPOS. La tabla NODOS contiene información particular de cada nodo. definir una misma tasa de muestreo para los nodos de una zona específica de la finca. Modelo entidad relación. NODOS y NODOSCONFIG. La tabla VARIABLES almacena las variables físicas a monitorear.4.1.5.
Fuente: El autor. Información y configuración de nodos
Comprende las tablas VARIABLES.
Así mismo. tasas de incremento y decremento máximas detectadas.
5. La segunda a su vez.4. Sirven para definir los tipos de alarmas generados por el sistema (umbrales máximos y mínimos superados. incluye los valores de los umbrales para la generación de alarmas. pérdida de conexión con algún nodo. Finalmente la tabla NODOSCONFIG almacena los datos de configuración de cada uno de los nodos para la variable física correspondiente.
5. registrando la variable en cuestión y fecha y hora de la medición.5. Opciones generales
Comprende la tabla OPCIONESGENERALES e incluye los valores de los parámetros exclusivos del programa tales como la localización de la base de datos. inicio o detención de operación de los nodos y otros).4. Registro de datos y de sucesos
Comprende las tablas REGISTRO_MONITOREO y REGISTRO_SUCESOS.
5. DISEÑO GENERAL DEL PROGRAMA DE COMPUTADORA
El software para el cumplimiento de los requerimientos se ha dividido en dos componentes principales:
.2.4. registra la ocurrencia y la fecha y hora de los sucesos durante la operación del sistema.4. La primera almacena los datos de todas las mediciones efectuadas por los nodos de la red. Información de sucesos
Comprende las tablas SUCESOS y TIPOSSUCESO.3.cambios de configuración pendientes por aplicar o si ya se aplicaron).
5. Básicamente el servicio se ejecutará automáticamente desde que se enciende la computadora y. Este programa se encargará de mantener comunicación permanente con el módulo coordinador cuando éste se encuentre conectado a la computadora. la conexión del dispositivo coordinador. y visualizar y obtener los datos de temperatura y humedad relativa para su análisis. deberá existir un programa que permita interactuar al usuario con la red de monitoreo.1. el servicio inicia un proceso cíclico mediante el cual descarga los datos de las mediciones almacenados por el coordinador y sincroniza los valores de configuración de los nodos según lectura de la base de datos.2.2. 5. Interfaces preliminares Las siguientes son algunas de las interfaces de la aplicación cliente diseñada para cumplir con los requerimientos planteados.5. La aplicación cliente permite al usuario.1. además de aquella donde se puede iniciar o detener. debe existir un programa que se ejecute en el trasfondo del sistema operativo como un servicio. Servicio del sistema operativo
Dado que el sistema de monitoreo debe trabajar en tiempo real.5. monitoreará en el puerto.1.1. Diagrama de flujo El diagrama de flujo en la siguiente página describe el funcionamiento del software operando como servicio.5. 5. operario o encargado del cultivo establece los valores de los parámetros de configuración de las mediciones y alarmas. dado que el servicio no cuenta con ningún tipo de interfaz. Aplicación cliente
Mientras el servicio del sistema operativo se encuentra permanentemente activo sincronizando la información de configuración y los datos de transmisión de la red de monitoreo. Una vez establecida dicha conexión. a partir de dicho instante.
El coordinador da esta información
Se descargan los datos antes de hacer efectivos nuevos cambios de configuración NO
¿Se almacenaron todos los datos en la base? SI Generar alarmas si las hay Eliminar datos de mediciones del coordinador Obtener de la base.
Monitorear el puerto hasta que haya conexión del coordinador
Leer puerto NO ¿Coordinador se conectó? SI
Obtener de la base. nodos con cambios de configuración pendientes en ciclo anterior Registrar en base aquellos nodos cuya configuración se haya establecido correctamente El proceso de sincronización de cambios de configuración y descarga y almacenamiento de datos de mediciones se repite a un intervalo de tiempo fijo El programa analiza los datos descargados y genera alarma si alguno de los umbrales ha sido superado Descargar datos de mediciones Almacenar datos de mediciones
Se verifica si cambios de configuración pendientes en el ciclo anterior llegaron a los nodos.Figura 43. nodos con cambios de configuración pendientes Notificar al coordinador cambios de configuración pendientes NO
Asegurado el almacenamiento de los datos se libera la memoria del coordinador Se hacen efectivos nuevos cambios una vez descargados y almacenados los datos en la base.
¿Finalizó conexión con el coordinador? SI
. El coordinador almacena estos cambios y los envía a los nodos cuando estos se reporten. Diagrama de flujo de sincronización con el programa de Servicio.
Interfaz para la edición de la tabla GRUPOS. Figura 45.La información de las tablas de GRUPOS y VARIABLES se modifica a través de una interfaz como la mostrada a continuación:
Fuente: El autor. Entorno general de la aplicación cliente.
El manejo de grupos permite asignar los mismos parámetros de configuración a grupos específicos de nodos. Finalmente. sino además. Así mismo.
. • • Estado: Permite ver si el nodo está operando. la medición actual de cada nodo para cada variable y el nivel de batería. Otro propósito a mediano plazo es diseñar una librería de uso para usuarios desarrolladores. las tasas de muestreo. fecha y hora de inicio de medición. esto involucra no solamente exportar los datos en formato de archivo plano. que permita a algunos clientes desarrollar sus propias aplicaciones de acuerdo a necesidades específicas. Aunque la aplicación desarrollada ya debe contener esta librería. almacenar los datos transparentemente al usuario en una o varias tablas de bases de datos de otras aplicaciones. umbrales de alarma y demás parámetros de funcionamiento. Muy posiblemente. para cada variable física a medir. además. Muestra. es necesario analizar con cuidado las posibles necesidades para que la librería cumpla su objetivo.Desde el entorno principal el usuario dispone de un árbol de navegación mediante el cual selecciona los grupos de nodos y nodos específicos que desea configurar o diagnosticar. es posible desarrollo un modulo adicional al software que realice el suministro y/o procesamiento de los datos de acuerdo a las necesidades particulares de cada cliente. y sea fácil de utilizar. dispone de tres paneles principales: • Configuración: Permite al usuario definir. Informes: Desde allí el usuario puede ver gráficas de comportamiento climatológico en tiempo real así como del comportamiento en intervalos específicos de tiempo para los diferentes nodos de la red.
El nuevo estándar IEEE 802. Estas características hacen de esta tecnología ideal para transmisión de datos en tiempo real como el presentado en este trabajo y aplicado al monitoreo de variables climatológicas. Tecnologías como Bluetooth y WIFI han posibilitado la transmisión de grandes volúmenes de datos a altas tasas de transferencia.4 ha dado a los diseñadores de sistemas de automatización.4 ratificado en Diciembre de 2004. La teoría relacionada con reducción de márgenes de atenuación naturales debidos 89
. una alternativa más apropiada para el manejo de redes de dispositivos donde se requiere transmitir pequeños volúmenes de datos.15.4 ha comenzado a llenar el vacío que había existido en cuanto a estándares para este tipo de aplicaciones.6. mientras el estándar IEEE 802. Este impacto no solamente se limita al tema de monitoreo de variables físicas.15. ha abierto un abanico de posibilidades en cuanto a la aplicación de tecnología inalámbrica en sistemas de redes de sensores y automatización. dados los elevados costos de instalación y adquisición de cable y sobre todo aquellos relacionados con el mantenimiento asociado a dichas instalaciones. automatización de procesos y sistemas de control en lazo cerrado.15. El estándar IEEE 802. sino también a todas aquellas aplicaciones relacionadas con accionamiento de actuadores. así como el de automatización residencial. con tasas de transmisión aceptables y especialmente con muy bajo consumo de energía. CONCLUSIONES
La incorporación de tecnología inalámbrica en sistemas de monitoreo de variables climatológicas tiene un gran impacto especialmente en el sector agrícola.
El tema de monitoreo climatológico. El poder de procesamiento. Como ventajas adicionales. entre otros. no perjudiquen la eficiencia del sistema. obstáculos y propiedades de los obstáculos presentes. No obstante. Se eligieron para el diseño sensores digitales que incorporan en el mismo encapsulado la medición de temperatura y humedad relativa. bajo consumo y facilidad de acondicionamiento. la reducción de consumo se constituye en una prioridad. en entornos y aplicaciones donde se requieran respuestas del orden de milisegundos. El tema del consumo de potencia y la consiguiente autonomía del sistema. Especialmente en aplicaciones donde el tiempo de latencia no puede ser relativamente grande en términos de respuesta del sistema en tiempo real. El presente trabajo ha incorporado el uso de microcontroladores en las tarjetas principales de los módulos de medición y coordinador para comandar las tareas de medición de variables climatológicas y sincronización de datos entre dispositivos y la computadora. así como por reducción debida a otros factores tales como la altura de colocación de los dispositivos. Los componentes elegidos han hecho de este diseño una solución sencilla pero ajustada a los requerimientos de la aplicación. por sus características intrínsecas. cuando se carece de redes 90
. la variedad. facilitan el diseño óptimo de una red de monitoreo. altura del terreno. potencia el diseño de soluciones económicas pero confiables y eficientes.a la distancia. por ejemplo. fuentes de interferencia. se encontró que los sensores se encuentran dentro de la gama de dispositivos de mayor exactitud. es indispensable la realización de pruebas de alcance reales. la facilidad de uso y el bajo consumo de energía de los microcontroladores actuales. debe ser un asunto que hay que analizar con cuidado. en procesos de implementación real en cultivos y otros entornos productivos. cambiantes y difíciles de analizar en conjunto. permite que tiempos de latencia grandes. dado que los factores que afectan el funcionamiento óptimo de la red de transmisión son numerosos. Sin embargo. teniendo como ventaja la posibilidad de obtener un dato más exacto del punto de rocío.
las tareas relacionadas con la sincronización de datos y parámetros de configuración con los nodos de la red. La segunda es aquella desde donde el usuario configura el funcionamiento de la red y la cual suministra los datos de acuerdo a sus necesidades. de modo transparente para el usuario.
. El software computacional se dividió en dos aplicaciones principales: una actuando como servicio en el sistema operativo. así como la generación de alarmas según umbrales establecidos por el usuario. y otra como aplicación cliente con interfaz de usuario.de potencia eléctricas y el sistema debe cierta autonomía. El software de administración y almacenamiento de datos de la red de monitoreo constituye un elemento de gran importancia en cuanto a que permite al usuario interactuar con la red. La primera realiza.
por ejemplo. No obstante. Esta posibilidad sería bastante atractiva. que permitan la incorporación de otro tipo de sensores. con respaldo de batería recargable. RECOMENDACIONES
El monitoreo de temperatura y humedad relativa en tiempo real es de gran utilidad en la agricultura. existen otras variables físicas de gran incidencia en favor de un estudio y pronóstico del fenómeno. en aplicaciones tales como el control de heladas. Otro tema que merece mención es el de suministro de energía. los cuales consumen considerablemente mayor energía que los de medición. por lo cual cada dispositivo final puede incorporar electrónica asociada al manejo de actuadores. Este diseño se presentó como alternativa de reducción de cableado para la parte de control. entre otros. tales como electroválvulas. por ejemplo. aumentando la autonomía del sistema. como alternativa a la de alimentación con baterías. En este orden de ideas es factible concebir un módulo de medición con entradas adicionales de voltaje y/o corriente. Sería muy beneficioso estudiar la posibilidad de incorporar un sistema de alimentación mediante paneles solares. que se ajusten al nivel de tecnificación de cada uno de los posibles clientes. y se basó en la utilización de baterías para el suministro de energía para los módulos de medición pensando en una autonomía de alrededor de 1 año para dichos dispositivos. para obtener una respuesta óptima del cultivo. Así mismo. El presente diseño puede quedar evidentemente limitado en el sentido de que los módulos fueron estrictamente diseñados para la medición de temperatura y humedad relativa. es clara la utilidad que este tipo de redes de dispositivos puede tener en sistemas de automatización de invernaderos y de otros procesos industriales. brindando mayor flexibilidad a la hora de implementar el sistema en otro tipo de aplicaciones.7. para el caso de la alimentación de los módulos repetidores. sistemas de calefacción y motores. En este diseño 92
. y especialmente en el sector agrícola.
. De otra parte. Concretamente. basado en un análisis comercial serio. incorpora el transceiver y el microcontrolador que implementa el protocolo de red. En términos de costo de materiales esto representa un sobrecosto de alrededor de 20 dólares por dispositivo. Como consecuencia.dichos módulos se alimentan con baterías recargables o desde la red eléctrica. pero esto en algunos casos puede representar un problema debido a que en algunos sitios no se dispone de redes eléctricas. este diseño podría ser susceptible de ser mejorado en el tema de los costos. este trabajo debe servir como modelo de aplicación de la tecnología inalámbrica en sistemas de redes de sensores y medición en tiempo real. ambos en un mismo encapsulado. pero con un amplio abanico de posibilidades en el ámbito de la automatización y control de procesos del sector agrícola e industrial. aunque un ahorro considerable en desarrollo. el módulo de transmisión de radio. como se discutió en este documento. Sería interesante hacer un estudio sobre la viabilidad de desarrollar un stack o protocolo propio.
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