Sensing and transmition system using Wi-Fi technology

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1 Sensing and transmition system using Wi-Fi technology Jeisson Alejandro Gutierrez Giovanni Baquero Rozo Sebastián Eslava Garzón Abstract Technology uses in beekeeping can revolutionize how it is done in the country, optimizing it to future generations of beekeepers. Using an embebid system that senses the bees alimentation s food tank, the temperature, and the relative humidity; it gives the beekeeper information outside the hive, preventing the opening of the hive when unnecessary. In a radius of 500 meters 250 hives can be connected to a central terminal in charge of monitorizing then and sending text massage alarms and s when an event occurs. keywords: embedded system, Wi-Fi, Sensing, beekeeping,beehive. I. INTRODUCCIÓN Los sistemas de monitoreo en apicultura han evolucionado en las últimas décadas, países como Estados Unidos y España, han pasado del uso de sistemas manuales a sistemas automáticos, por razones muy relevantes. Los sistemas utilizados en la apicultura realizan monitoreo de colmenas teniendo en cuenta factores importantes que dan una descripción del comportamiento y actividades de las abejas. La temperatura es el factor más importante que tiene que ser monitoreado ya que de lo contrario no se podrá mantener la temperatura (35C) necesaria para el nido de la cría [1] y afectará el aumento de población. Asimismo las provisiones de alimentos para las abejas hacen la colmena más productiva y permite un mayor tamaño de población [3], por tanto, mantener monitoreado el tanque de alimentación de la colmena favorece el aumento y producción. Sin de olvidar que la apertura prolongada de la colmena generan tres peligros: enfriamiento de la cría, desorganización de la colonia y pillaje [4]. El enfriamiento de la cría muestra su efecto a los pocos días cuando aparecen muertas las larvas y ninfas. Otra variable física de gran importancia en la colmena es la humedad relativa al interior, pues de no ser controlada, la humedad excesiva favorece la aparición de enfermedades y estropea el material [2] producido por las abejas. Los sistemas de monitoreo inalámbrico actuales deben su existencia a la investigación en diferentes áreas como el sector industrial, sector salud, negocios, seguridad y agricultura entre otros[5]. En el área de agricultura el sensado es usado para recolectar información de cultivos, suelo y el clima[6]. Siguiendo los mismos lineamientos de investigación en sistemas de Fig. 1. Diagrama del sistema monitoreo inalámbrico en la agricultura, este artículo presenta una investigación en sensado de las principales variables y alarmas presentes en una colmena apícola, usando tecnología inalámbrica. [1]. II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El sistema de monitoreo inalámbrico para colmenas apícolas MIPCA conecta, mediante una red inalámbrica Wi-Fi, un conjunto de colmenas de un apiario a una estación central, que se encuentra ubicada a 500 metros de distancia del apiario. La estación posee un router que permite la conexión a la red de internet y GPRS como muestra la figura 1. El sistema MIPCA es completamente autónomo y es una herramienta de supervisión para los apicultores, que les permita conocer el estado de las colmenas y sin importar la hora o su ubicación. MIPCA informa el estado de las variables físicas correspondientes a la temperatura y humedad al interior de la colmena. A su vez, permite informar sobre sucesos tipo alarma: el primer estado interno corresponde al nivel del tanque de alimentación de las abejas y el segundo estado corresponde a la apertura o cierre de la colmena. Los componentes que constituyen el sistema son software y hardware. Hardware: La terminal de monitoreo ubicada en la colmena, el cual tiene el sistema embebido, la adaptador de conexión inalámbrica, una tarjeta hija y una pantalla LCD. La terminal del apiario tiene un router de alta potencia que permite a las colmenas el acceso a internet y que el sistema sea autónomo.

2 Software: Correspondiente a la programación desarrollada para el funcionamiento de la aplicación, como los controladores para los sensores y programación de uso de internet para enviar alarmas e informes. III. EQUIPO EN LA COLMENA La terminal ubicada en la colmena usa la tarjeta embebida Chumby Hacker Board que permite conectar, programar y administrar todos los dispositivos del sistema [10], el módulo de adquisición de variables físicas y alarmas, una pantalla LCD para visualizar en campo lo que ocurre dentro de la colmena, una adaptador WIFI que permite la conexión a internet del sistema para el envío de datos o paquetes de información a diferentes destinos y una tarjeta hija. A. Tarjeta embebida MIPCA usa la tarjeta embebida Chumby Hacker Board; es un sistema que trabaja bajo una plataforma de software libre basada en Linux, aunque usa una mucho más liviana. Utiliza solo los paquetes necesarios para el sistema de monitoreo, lo que permite un trabajo óptimo, rápido y eficaz en campo. El kernel utilizado soporta dispositivos para conexión inalámbrica Wi-Fi y a su vez permite el uso de software para programar la comunicación y transmisión de paquetes de datos. La característica más importante de la tarjeta es que permite la integración de todos los módulos en un único sistema con la capacidad de cumplir con las siguientes tareas: 1) Adquisición y administración de variables físicas y alarmas. 2) Almacenamiento en un archivo de texto de las variables físicas y alarmas. 3) Envío de mensajes de texto a celulares reportando alarmas de la colmena en cualquier momento y en tiempo real. 4) Envío de correos electrónicos para reportar alarmas. 5) Envío de reportes cada 24 horas, del comportamiento de las variables y las alarmas de la colmena. B. Módulo de adquisición de variables físicas y alarmas Este módulo está constituido por tres sensores: sensor de temperatura y humedad, sensor de apertura y sensor de nivel; ubicados en la colmena como se muestra en la figura 2. Las variables físicas medidas son temperatura y humedad, la adquisición de temperatura es realizada en grados Celsius y la humedad es sensada en un rango de porcentajes de humedad relativa, de acuerdo a las condiciones internas de la colmena. El sensado de temperatura y humedad se hace en un solo sensor, que a su vez no requiere acondicionamiento de señal dado que el sensor está montado sobre una tarjeta de acondicionamiento diseñada por el fabricante. La alarma de apertura de la colmena es realizada con un sensor magnético de seguridad, que permite determinar los estados de la colmena; apertura o cierre. La alarma de nivel es realizada con un sensor ON OFF, que permite monitorear el estado del nivel del tanque de alimentación de la colmena en tiempo real. Fig. 2. Diagrama del sistema Los sensores de adquisición realizan un monitoreo cada 30 segundos de variables y alarmas dentro de la colmena. La lectura de los sensores de la colmena es realizada utilizando los controladores desarrollados de acuerdo con las características de cada sensor. Para el sensor de temperatura y humedad fue implementado un controlador de acuerdo a las especificaciones de la hoja de datos y los requerimientos de diseño, funciona usando un protocolo de comunicación serial pseudo I2C. Mientras que para los sensores de nivel y apertura de la colmena los controladores están basados en estados ON OFF y requerimientos de diseño. C. Pantalla LCD La implementación del módulo de visualización en campo, permite al apicultor conocer las principales variables y estados al interior de la colmena. La pantalla LCD implementada cuenta con un espacio de visualización de 80 caracteres, que son utilizados en la visualización de las dos variables físicas, estados de las dos alarmas y el estado de los reportes generados. El controlador para LCD de 4 líneas no estaba disponible para la tarjeta embebida, por tanto fue desarrollado de acuerdo a las características del dispositivo y especificaciones de la hoja de datos. D. Adaptador Wi-Fi Para realizar el reporte diario y la entrega de los estados de las alarmas a los apicultores, el sistema de monitoreo requiere una conexión a internet. Para proporcionar el servicio es utilizado un adaptador de conexión a internet inalámbrica. Los criterios fundamentales para la selección del adaptador inalámbrico dependían de los controladores disponibles sobre el Kernel del sistema embebido, disponibilidad en el mercado, potencia de recepción y envío de señal. Aunque el sistema de archivos del sistema embebido soporta diferentes tecnologías pero son pocos los disponibles en el mercado. Así, la selección fue basada en estos tres criterios, siendo la potencia de recepción y área de cobertura los criterios más relevantes. El adaptador de conexión inalámbrica cuenta con una antena de

3 recepción de alta potencia y alto alcance. Para usar el dispositivo sobre el sistema embebido fue necesario activar y cargar el controlador en el Kernel. Finalmente realizar la configuración de las frecuencias de trabajo del dispositivo de acuerdo a la ubicación geográfica. E. Tarjeta hija Para realizar la conexión física entre el sistema embebido con los dispositivos auxiliares, como la pantalla LCD, la conexión a sensores y conexiones de energía, fue diseñada una tarjeta hija en Kicad, que permite realizar este trabajo. IV. TERMINAL DE COMUNICACIÓN A INTERNET Para alcanzar los 500 metros de distancia entre el apiario y el punto de conexión a internet es usado un Router de alto alcance que garantiza realizar la conexión inalámbrica. Dentro de los criterios de selección del router el más importante es que el dispositivo permite realizar modificaciones al sistema operativo, siguiendo los mismos lineamientos del software libre. El dispositivo seleccionado tiene un alcance de 220 metros de acuerdo a especificaciones del fabricante, a la vez, el router permite cambiar las antenas con las que viene equipado. El cambio permite usar dispositivos más potentes que pueden mejorar el área de cobertura del router hasta por un factor de cinco. Las antenas fueron remplazadas y aumentan el área de cobertura por un factor de tres, obteniendo un área de cobertura de 660 metros, valor que se encuentra por encima de las especificaciones del área a cubrir. Sin embargo, el dispositivo receptor es de alto alcance y posee un área de cobertura de 100 metros. De esta forma, la terminal de comunicación garantiza la conexión a internet, teniendo en cuenta la distancia requerida por el sistema. V. PROTOCOLO DE LA APLICACIÓN El protocolo de comunicación utilizado por el sistema es el IEEE , con alta tasa de transferencia y alta potencia [8]. La configuración de la red usa una topología estrella, lo que permite conectar hasta 255 colmenas al mismo receptor, con el método de transmisión OFDM. Adicionalmente, este estándar de comunicación trabaja en la banda ISM a 2.4 GHz o 5GHz y una potencia aproximada de 100mW por cada 100 metros de rango. Este protocolo de comunicación evita la interferencia y el ruido [9] Las ventajas más sobresalientes del protocolo de comunicación es que de acuerdo al dispositivo seleccionado es posible trabajar bajo distintas designaciones del estándar, como lo son g, n para conexiones de gran alcance. VI. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA A. Lectura y almacenamiento de variables físicas y alarmas. El módulo que controla la adquisición de variables físicas y alarmas maneja un programa principal (main.c) que hace el llamado por separado a cada uno de los controladores de los sensores. Posteriormente realiza un llamado al controlador de Fig. 3. Fig. 4. Programa principal de variables físicas y alarmas Programa principal de envío de alarmas y reportes la pantalla LCD, para realizar la visualización y la escritura de los datos que acaban de ser obtenidos y por último realiza la escritura sobre el archivo de texto. Este proceso es ilustrado la figura 3. Todos los controladores implementados fueron escritos en lenguaje C, para posteriormente convertir este código a lenguaje de maquina apropiado para que el sistema embebido pueda interpretar y ejecutar la programación de forma adecuada. B. Envío de alarmas y reportes Posterior a la adquisición y almacenamiento de variables físicas y alarmas sobre el archivo de texto, es necesario leer la información y establecer cuando debe ser enviada una alarma o un reporte. Para realizar estas tareas fue necesario desarrollar una aplicación que permitiera leer la información y de acuerdo a los datos almacenados realizara el envío de alarmas al celular o al correo electrónico. La tarjeta embebida seleccionada soporta varios lenguajes de programación. Por tanto, se instaló sobre la tarjeta un software que permita usar internet desde el entorno de programación. Sobre el entorno de programación fue realizado el software capaz de leer el archivo de texto y de acuerdo al contenido tomar la decisión de enviar o no alarmas o reportes de acuerdo a los datos obtenidos. El controlador de eventos posee un menú principal que hace el control de envío de alarmas y reportes, la figura 4 ilustra el funcionamiento de éste.

4 Fig. 6. Pruebas del sistema completo Fig. 5. Montaje sobre la colmena C. Terminal receptora y proveedor de servicios Las terminales finales receptoras de las alarmas o de las variables físicas son celulares y el correo electrónico. Los celulares son utilizados para informar de las alarmas en el sistema, usando mensajes de texto SMS a diferentes destinatarios, de acuerdo a los requerimientos del apicultor. El uso del celular permite informar al apicultor a través del SMS, sobre los eventos importantes que están ocurriendo en la colmena en cualquier hora y lugar, eliminando cualquier limitación que puede tener un sistema de monitoreo por cobertura. Para realizar el envío de mensajes de texto a celulares el sistema usa en primera instancia la red de internet y luego usa la red GSM para finalmente entregar los mensajes de texto. El proveedor del servicio de mensajes de texto, es una compañía presta servicio de venta de mensajes de texto a celular. Por otro lado, el correo electrónico tiene dos finalidades; la primera, entregar las alarmas de la colmena en tiempo real a diferentes destinatarios y la segunda entregar reportes diarios del comportamiento de la colmena a los apicultores. El reporte tiene el archivo de texto con la información sobre las dos variables físicas y las dos alarmas de la colmena y se usa como sistema de soporte y complemento al SMS. MIPCA cuanta con conexión a la red de internet, permitiendo adjuntar diferentes tipos de paquetes de información, desde archivos de texto hasta archivos de video. Asimismo, permite el uso de la red para entregar paquetes de información a bases de datos virtuales o cualquier aplicación que requiera el uso de internet. VII. PRUEBAS Y RESULTADOS MIPCA fue ensamblado y montado sobre una colmena apícola en laboratorio para realizar pruebas. La figura 5 permite observar el módulo de adquisición sobre la colmena. La figura 6 permite observar todo el sistema implementado para realizar pruebas en el laboratorio. Finalmente, la figura 7 muestra el sistema de medición y transmisión inalámbrica. Para las pruebas de funcionamiento del sistema MIPCA en laboratorio, fueron establecidas ciertas condiciones controladas con el fin de evaluar la efectividad del sistema. Las condiciones establecidas y los resultados están resumidos en la tabla 1. La entrega de alarmas y reportes al correo electrónico y Fig. 7. Equipo MIPCA celular fueron realizadas y La figura 8, muestra los correos electrónicos generados, en la parte superior se puede observar la imagen del contenido de las alarmas y en la parte inferior la imagen del reporte con un archivo adjunto. MIPCA fue probado durante dos días continuos para verificar envío de informes diarios y envío de alarmas. Nivel Est Col Esc Txt SMS Frec Normal C. Cerrada Si No No 30 s Normal C. Abierta Si Si Si 30 s Bajo C. Cerrada Si Si Si 30 s Bajo C. Abierta Si Si Si 30 s X X Si Si No 24 h VIII. CONCLUSIONES La construcción de un equipo económico y de manejo autónomo para el monitoreo apícola es posible, viable y no demanda gran cantidad de recursos humanos ni económicos. Fig. 8. Alarmas y reportes en el mail

5 Los sistemas embebidos son herramientas muy robustas, confiables y seguras para el desarrollo de dispositivos o aplicaciones en áreas de la agricultura. El sistema MIPCA ofrece monitoreo inalámbrico a las colmenas apícolas facilitando y optimizando el trabajo realizado por los apicultores, además reduce la intervención del hombre en las colmenas evitando daños en la población de las abejas. El uso de internet en la colmena permite enviar paquetes de información de cualquier tipo, siendo una gran ventaja, pues permite adjuntar cualquier tipo de archivo incluyendo archivos de audio que es una variable importante en la apicultura, dado que las abejas se comunican a través de vibraciones mecánicas. Los aportes realizados por el sistema de monitoreo inalámbrico apoyan la investigación en la apicultura e impulsan el crecimiento económico en el sector agrícola del país. REFERENCES [1] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 63, 1986 [2] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 49, 1986 [3] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 64, 1986 [4] F. Jimenez, E. Nunez, Manual practico de apicultura. 52, 1986 [5] J. Yick, B. Mukherjee, Wireless sensor network survey.computer Networks 2292, 2007 [6] A. Rehman, Z. Abbasi,N. Islam A review of wireless sensors and networks applications in agriculture. 1-2, 2011 [7] [8] M. Abdul, Comparative Study of Wireless Protocols - Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, WirelessHART and ISA SP100, and their Effectiveness in Industrial Automation. Thesis, 31, [9] M. Abdul, Comparative Study of Wireless Protocols - Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, WirelessHART and ISA SP100, and their Effectiveness in Industrial Automation. Thesis, 60, [10]