DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WSN (WIRELESS SENSOR NETWORK) BASADO EN LOS PROTOCOLOS ZIGBEE, WIFI Y ZIGBEE MESH, PARA EL MONITOREO DE VARIABLES

Transcripción

1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WSN (WIRELESS SENSOR NETWORK) BASADO EN LOS PROTOCOLOS ZIGBEE, WIFI Y ZIGBEE MESH, PARA EL MONITOREO DE VARIABLES CLIMÁTICAS EN EL INVERNADERO UBICADO EN EL BARRIO RUMIPAMBA DEL NAVAS, CANTÓN SALCEDO, PROVINCIA DE COTOPAXI. Autores: Darwin Enrique Cuji Coque Darío Xavier Pazmiño Moreno Director: Codirector: Ing. Mayra Erazo Ing. César Naranjo

2 AGENDA 1. INTRODUCCIÓN 2. OBJETIVOS 3. ANTECEDENTES 4. CARACTERITICAS DEL CULTIVO 5. DISEÑO DE LA RED WSN 6. IMPLEMENTACIÓN 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 8. CONCLUSIONES 9. RECOMENDACIONES 2

3 3 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ANTECEDENTES CARACTERISTICA DEL CULTIVO DISEÑO DE LA RED INTRODUCCIÓN Las redes WSN, han tenido un rápido desarrollo en los últimos años, pasando del infrarrojo (comunicación punto a punto), a redes de medio alcance como ZigBee (multipunto), y llegando con redes de mayor alcance como WiFi. Este tipo de redes se han creado con el fin de monitorear procesos que se encuentren alejados o sean peligrosos para la intervención del hombre, suprimiendo la utilización de cableado. Estas redes están compuestas por dispositivos autónomos, coordinadores y nodos sensores que miden las variables físicas de su entorno.

4 OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar una Red WSN (Wireless Sensor Network) basada en los protocolos ZigBee, WiFi y ZigBee Mesh, para el monitoreo de variables climáticas en un invernadero de tomate riñón. 4

5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar las variables climáticas que intervienen en el desarrollo del tomate riñón en invernaderos. Seleccionar los sensores y módulos de comunicación inalámbrica necesarios para despliegue de la red WSN. Diseñar la red WSN (ZigBee, DigiMesh, WiFi) y la interfaz gráfica para el monitoreo de las variables climáticas. Implementar la red WSN en el invernadero. Comparar cual de las 3 redes inalámbricas es la mas acorde para el área agrícola. 5

6 REDES WSN EN EL ÁREA AGRÍCOLA En América Latina, después de Brasil, es Ecuador en donde más explotaciones agrícolas familiares existen. La agricultura de precisión favorece una reducción en el consumo de agua y pesticidas, contribuyendo a la preservación del entorno. Entre las aplicaciones mas interesantes se encuentra el control de plagas y enfermedades, mejorando la producción del cultivo y reduciendo costes. 6

7 CARACTERÍSTICAS DEL CULTIVO En el país hay hectáreas de tomate riñón, la producción es de toneladas al año, según las estadísticas agropecuarias del Ecuador ESPAC. En el país esta hortaliza es parte de la canasta básica, brindado los nutrientes necesarios a la población. Es un cultivo que se adapta muy bien a cualquier tipo de clima siempre y cuando no ocurran heladas. Las principales variables climáticas que intervienen en su desarrollo son: temperatura, humedad, luminosidad, radiación solar, CO2. 7

8 ENFERMEDADES Variable Enfermedades fuera de rango Consecuencias Temperatura Nombre Condición Tizón tardío T: C Humedad Relativa Tizón temprano T: C. H: >80%. Cenicilla T: C. H: < 60%. Botrytissp T: C. H: 95%. Luminosidad baja 7

9 PLAGAS Variable Plaga fuera de rango Consecuencias Temperatura Nombre Gusano trozador Condición Humedad Relativa Polilla En épocas secas y Calurosa Pulgón Ácaros T: C Humedad relativa baja. Mosca blanca T: C H: 80% 7

10 DISEÑO DE LA RED Diagrama de Bloques 10

11 COMPONENTES DEL SENSADO Placa de sensores: Agricultura y Gases Sensores: temperatura, humedad, luminosidad, radiación solar, radiación ultravioleta, estación meteorológica, CO2 Módulo Waspmote 8

12 COMPONENTES DE COMUNICACIÓN Módulos de comunicación: Xbee ZB Pro S1, Xbee ZB Pro S2, Wifi XN-RV Router Gateway de configuración XBee 9

13 INSTRUCCIONES DE SENSADO Principales instrucciones Parámetros Librerías Sensores Paquetes #include <WaspXBeeDM.h> #include <WaspXBeeZB.h> #include <WaspWIFI.h> #include <WaspFrame.h> #include <WaspSensorAgr_v20.h> #include <WaspSensorGas_v20.h> Instrucciones SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_TEMPERATURE) SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_LDR) SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_HUMIDITY) SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_RADIATION) SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_ANEMOMETER) SensorAgrv20.readValue(SENS_AGR_VANE) SensorGasv20.readValue(SENS_SOCKET3CO) SensorGasv20.readValue(SENS_CO2) WR.getBatteryLevel(); xbeezb.setdestinationparams(packet,adreess,datain); xbeezb.sendxbee(packet); xbeedm.setdestinationparams(packet,adreess,datain); xbeedmsendxbee(packet); Tramas WIFI.sendHTTPframe(IP, ADDRESS, REMOTE_PORT, frame.buffer, frame.length 10

14 RED DIGIMESH Estructura 11

15 RED DIGIMESH Número de sensores Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Nodos Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Solar Temperatura Humedad Luminosidad Sensores Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Ultravioleta CO2 CO 11

16 RED DIGIMESH Configuración de los módulos ZB Pro S1 Módulos Direcciones propias Dirección de destino PANID Canal Velocidad (BD) Nodo A20040BDA364 Nodo 2 Nodo A20040BDA A20040BBB3D7 Low: 13A200 High: FFFF 1234 C Nodo A20040BBB3E6 Coordinado r 0013A20040BBB3FA 12

17 Diagrama de flujo Nodos 13

18 Diagrama de flujo Coordinador 13

19 MONITOR SERIAL Nodo Coordinador 13

20 RED ZIGBEE Estructura 11

21 RED ZIGBEE Número de sensores Nodos Sensores Nodo 1 Estación meteorológica (velocidad y dirección del viento) Temperatura Humedad Luminosidad Nodo 2 Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Solar Nodo 3 Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Ultravioleta 11

22 RED ZIGBEE Configuración de los módulos ZB Pro S2 Módulos Direcciones propias Dirección de destino PANID Canal Velocidad (BD) Nodo A20040B5B798 Nodo 2 Nodo A20040B5B7C2 0013A20040B5B794 Low: 13A200 High: FFFF Coordinador 0013A20040B5B339 12

23 Diagrama de flujo Nodos 13

24 Diagrama de flujo COORDINADOR 13

25 MONITOR SERIAL Nodo Coordinador 13

26 DISEÑO HMI Programación 15

27 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ANTECEDENTES CULTIVO Y COMPONENTES DISEÑO DE LA RED WSN IMPLEMENTACIÓN - ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES. DISEÑO HMI Separación de datos (nodos) 15

28 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ANTECEDENTES CULTIVO Y COMPONENTES DISEÑO DE LA RED WSN IMPLEMENTACIÓN - ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES. DISEÑO HMI Separación de datos (sensores) 15

29 DISEÑO HMI Cantidad de bits transmitidos Velocidad de transmisión 15

30 DISEÑO HMI Errores de transmisión 15

31 DISEÑO HMI Alarmas 15

32 RED WIFI Estructura 11

33 RED WIFI Número de sensores Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Nodos Sensores Estación meteorológica (Pluviómetro) Temperatura Humedad Luminosidad Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Solar Temperatura Humedad Luminosidad Radiación Ultravioleta CO2 CO 11

34 RED WIFI Configuración del Router Parámetros Configuración Nombre de la red WIFI Clave Nombre del usuario (manager system) Clave meshlium tesiswaspmote root tesismeshlium 12

35 Diagrama de flujo Nodo 13

36 Monitor serial 13

37 Base de datos 13

38 DISEÑO DEL HMI Configuración del Mysql ODBC 15

39 DISEÑO DEL HMI Toolkits Mysql 15

40 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ANTECEDENTES CULTIVO Y COMPONENTES DISEÑO DE LA RED. DISEÑO DEL HMI Tabla generada 15

41 DISEÑO DEL HMI Programación 15

42 DISEÑO DEL HMI Separación de datos (nodos) 15

43 DISEÑO DEL HMI Separación de datos (sensores) 15

44 DISEÑO DEL HMI Alarmas 15

45 IMPLEMENTACIÓN Tipo: Diente de sierra. Cultivo: Etapa final, 2 m. Dimensiones: altura 6 m, largo 80 m, ancho 50 m. Red: DigiMesh Invernadero A 16

46 IMPLEMENTACIÓN Tipo: Techo curva. Cultivo: Etapa de cosecha, 1.70 m. Dimensiones: altura 6 m, largo 70 m, ancho 50 m. Red: ZigBee, WIFI Invernadero B 16

47 IMPLEMENTACIÓN Vista completa de la red WSN 16

48 IMPLEMENTACIÓN Hardware 16

49 IMPLEMENTACIÓN Software 16

50 IMPLEMENTACIÓN Software 16

51 IMPLEMENTACIÓN Software 16

52 ANÁLISIS DE RESULTADOS Complejidad en el rediseño Parámetro Redes DigiMesh ZigBee WiFi Complejidad al añadir nuevos nodos Dispositivos a programas al añadir nuevos nodos. Alta Intermedia Baja Se programa Se programa Se programa: nuevamente: nuevamente: Coordinador Nodos Nuevos nodos Coordinador Nuevos nodos Nuevos nodos 17

53 ANÁLISIS DE RESULTADOS Cantidad de bits Transmitidos Red DigiMesh Red ZigBee Red WiFi Nodos Bits Nodos Bits Nodos Bits Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo 3 60 Nodo 4 60 Nodo Cantidad de bits total transmitidos DigiMesh: 974 ZigBee: 970 WiFi:

54 ANÁLISIS DE RESULTADOS DigiMesh Cantidad de bits transmitidos ZigBee WiFi 17

55 ANÁLISIS DE RESULTADOS Redes Cantidad de bits transmitidos Velocidad de Transmisión Tiempo de descarga (seg) Tiempo de actualización (seg) Velocidad de transmisión (bps) DigiMesh a ZigBee WiFi

56 ANÁLISIS DE RESULTADOS Velocidad de transmisión Altura del nodo Velocidad de transmisión (bps) respecto al suelo (m) DigiMesh ZigBee WiFi

57 ANÁLISIS DE RESULTADOS Consumo de batería Red DigiMesh Nodos Consumo por hora (%) Consumo por día (%) Nodo ,2 Nodo Nodo Nodo

58 ANÁLISIS DE RESULTADOS Consumo de batería Red ZigBee Nodos Consumo por hora (%) Consumo por día (%) Nodo Nodo Nodo

59 ANÁLISIS DE RESULTADOS Consumo de batería Red WiFi Nodos Consumo por hora (%) Consumo por día (%) Nodo Nodo Nodo Nodo

60 ANÁLISIS DE RESULTADOS Consumo de batería Consumo total (%) Redes Hora Día DigiMesh ZigBee WiFi

61 ANÁLISIS DE RESULTADOS Estabilidad de la red (sensores) Red ZigBee 17

62 ANÁLISIS DE RESULTADOS Estabilidad de la red (sensores) Red DigiMesh 17

63 ANÁLISIS DE RESULTADOS Estabilidad de la red (sensores) Red WIFI 17

64 ANÁLISIS DE RESULTADOS Red ZigBee Red DigiMesh Red WIFI 17

65 CONCLUSIONES La Red WiFi es la red más estable, tomando en cuenta que su tiempo de actualización es 3 veces mayor a las redes DigiMesh y ZigBee, esto se debe a que los sensores Libelium necesitan de un determinado tiempo de inicialización y mientras mayor sea este tiempo, el valor sensado será más preciso, brindando a la red mayor estabilidad en los datos obtenidos. El tamaño de la planta influye en la comunicación entre nodos y coordinador, esto ocurre solo en las redes WiFi y ZigBee. La red DigiMesh se ve afectada en menor porcentaje gracias a su topología malla. 55

66 CONCLUSIONES La red WiFi tiene un mejor desempeño en el ahorro de consumo de energía, a mayor cantidad de datos recolectados por hora, la red consume más corriente, debido a que los módulos Waspmote no están diseñados para adquirir gran cantidad de datos en cortos periodos de tiempo. DigiMesh y ZigBee presentaron la mejor velocidad de transmisión, lo que las hacen ideales para medir variables rápidas como la velocidad del viento, dirección del viento, luminosidad, etc. Por otro lado WiFi favorece el sensado de variables lentas (temperatura, humedad relativa, CO2). 55

67 RECOMENDACIONES Si dicha aplicación es implementada en plantaciones de mayor tamaño es necesario incorporar mayor número de nodos y Gateway para seguir obteniendo los mismos resultados satisfactorios, contrarrestando así las desventajas que la distancia presenta entre dispositivos. Colocar los nodos de la red WSN específicamente la etapa de comunicación, al mismo nivel o por encima del tamaño de la planta. Si la aplicación requiere de la obtención de datos de manera continua, es necesario la utilización de las baterías de paneles solares. 56

68 RECOMENDACIONES Realizar un estudio previo del ambiente donde la red será implementada, con el fin de determinar los puntos críticos (mayor variación climática, mayor volumen de cultivo, zonas más húmedas, etc.). 56

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