PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA MAESTRÍA EN REDES DE COMUNICACIONES

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1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA MAESTRÍA EN REDES DE COMUNICACIONES CONTRIBUCIÓN A LA GESTIÓN CENTRALIZADA DE SENSORES INALÁMBRICOS Y SU APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA ECUATORIANA VIZUETE QUEVEDO JAIME RODRIGO TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE MAGISTER EN REDES DE COMUNICACIONES QUITO, 2009

2 Dedicatoria El presente trabajo está dedicado principalmente a mi MADRE, eje fundamental de mi vida y la persona que siempre ha estado presente en todos los momentos buenos y malos, quien con su voz de aliento y su apoyo incondicional me ha empujado para seguir adelante. Por ti mi MADRE querida soy lo que soy, y para ti en muestra de agradecimiento a tu sacrificio, entrego este proyecto a nuestra comunidad. Además lo quiero dedicar a todas las personas que de una u otra forma son parte de mi vida y que me apoyan siempre, ya sea con una palabra de aliento, un abrazo, una palmada o un empujón, a todos ellos Dios les pague, por ayudarme en el diario caminar de la vida. Dedicado a todos ustedes Rodrigo

3 Agradecimiento Quiero comenzar agradeciendo al Dr. Walter Cevallos Q., Presidente de Federación Deportiva de Cotopaxi, quien supo confiar en este joven profesional y me brindo todas las facilidades para que me pueda seguir preparando y de esta manera ayudar a contribuir en el engrandecimiento de la institución donde laboro y por ende a mi comunidad. Un agradecimiento muy especial al Ing. Gustavo Chafla, mi Director, quien supo encaminar este proyecto. Quiero agradecer su paciencia y su apertura, ya que sin ello este proyecto no se hubiera llevado a cabo. Mil Mil Gracias Gustavo. Un agradecimiento también a mis correctores, la Ing. Sheyla Bustos y el Ing. Alberto Pazmiño, sin ustedes este trabajo no sería ni la mitad de lo que llego a ser, de igual forma mil gracias por su paciencia, apoyo y apertura, ustedes fueron de mucha ayuda y espero que el trabajo presentado lo refleje. Quiero agradecer también a la Sra. Elenita Bazante, secretaria de la Facultad, a muchas personas les parecerá raro este agradecimiento, pero la seño Elenita como yo le digo fue de gran ayuda, ya que al encontrarme lejos de Quito ella fue una mano muy importante en los tramites que tenía que realizar, ella desinteresadamente me los dio realizando, facilitándome las cosas y evitando que realice viajes seguidos que pudieron haberme traído problemas laborales, por eso seño Elenita mil mil gracias por su ayuda y sus palabras de aliento. Y también gracias, a todas esas personas que aportaron en este proyecto, alentándome hasta llegar a su final, perdón que no les nombre pero la lista sería interminable, pero todos ustedes lo saben. Mil Gracias a todos ustedes Rodrigo

4 INDICE Capítulo I 1.1 Antecedentes Objetivos Alcance Justificación 4 Capítulo II 2.1 Monitoreo con sensores 6 Capítulo III 3.1 Casos de Estudio y Sistema Ideal 14 Capítulo IV Prototipo Sistema de Monitoreo de Temperatura 4.1 Introducción Especificación de Requisitos Requisitos del sistema Requisitos de hardware Construcción del Prototipo i

5 4.3.1 Diseño Diseño de Software Diseño de Hardware Análisis de Componentes Ideales para el prototipo Construcción Construcción del protocolo de comunicación del prototipo Componentes del Prototipo Sensor de Temperatura Microcontroladores y circuitos PIC18F PIC16F Módulos de Transmisión Inalámbrica Interface del sistema Interface de pruebas inalámbricas Interface de un sistema de monitoreo completo Costos.. 54 ii

6 4.3.7 Pruebas Capítulo V 5.1 Conclusiones Recomendaciones y Mejoras 62 Anexos Código Visual Basic 65 Código Microcontrolador PIC 18F Código Microcontrolador PIC 16F iii

7 INDICE DE FIGURAS Figura 1: Data logger ESCORT MINI MI-IN-D-2-L 8 Figura 2: Panel de Monitoreo Oregon WRM200 Sensor de temperatura humedad. 10 Figura 3: FieldPoint.. 12 Figura 4: Esquema de conexión sistema de monitoreo 15 Figura 5: Pantalla del sistema de monitoreo 16 Figura 6: Sensores SquidBee y receptor USB. 18 Figura 7: CitySense y Radios WiFi. 20 Figura 8: Receptor y sensor de temperatura inalámbrico Figura 9: Diagrama de uso del conversor ADC0804 y el puerto paralelo.. 31 Figura 10: Esquema de funcionamiento de un multiplexor Figura 11: Esquema de funcionamiento del sistema mediante el puerto paralelo o serie.. 33 Figura 12: Esquema de funcionamiento del sistema mediante el puerto paralelo o serie y en forma inalámbrica Figura 13: Esquema de funcionamiento de un microcontrolador iv

8 CAPITULO I 1.1. Antecedentes El monitoreo y control por medio de sensores es una herramienta que todas las industrias están adoptando, ya que les permite analizar y vigilar los parámetros que afectan a un determinado proceso, teniendo de esta forma un instrumento que les ayude a estar siempre al pendiente de lo que pasa y necesita dicho trabajo, beneficiándose así de una forma segura y eficaz para prever y reducir los tiempos de toma de acciones que garanticen que se siga operando. Actualmente el monitoreo con sensores, se lo realiza en forma cableada, conectando los equipos sensores por medio de un cable a la estación principal de monitoreo y control, dicha estación se conecta mediante cable con los actuadores o correctores de problemas, esta tecnología es muy eficiente ya que garantiza la transmisión de los datos a altas velocidades, pero tiene un gran problema que es la poca distancia que pueden cubrir. Las actuales tecnologías de cable permiten cubrir distancias limitadas, tienen el inconveniente de la distribución física de los cables y las consideraciones que se deben tener para instalarlos. Por tal razón, es una tecnología eficiente pero con muchos problemas de instalación, mantenimiento y operación. Con el advenimiento de la tecnología inalámbrica que actualmente tenemos en desarrollo, el paso lógico de todo tipo de procesos cableados es trabajar en una forma inalámbrica, el manejo de sensores y otras aplicaciones no se está quedando atrás, 1

9 actualmente ya podemos ver equipos que monitorean ciertos parámetros de forma inalámbrica demostrando ser tan buenos y eficientes como los de tecnología cableada. La tecnología inalámbrica es el futuro del monitoreo de todo tipo de parámetros, algunas empresas están investigando más a fondo este campo, ya que presenta muchas ventajas, la principal la de no depender de una red de comunicación física, que es muy susceptible a daños, la distancia de comunicación es muy buena y superior a la de los dispositivos cableados y las velocidades de comunicación son similares entre las dos. En la actualidad el avance en el desarrollo de microchips de radio, nuevos routers o access points que cubren mayor distancia, y software que ayuda a controlar y monitorear todos estos equipos, están contribuyendo enormemente al desarrollo de la tecnología de sensores inalámbricos, ya que estos se amparan en la tecnología de comunicación inalámbrica por lo que es lógico, que si ésta avanza los sensores inalámbricos también. En la actualidad estos equipos pueden trabajar sobre tecnologías inalámbricas como IEEE , ZigBee, WLANs, Bluetooth o por radio frecuencia. Por tal razón como lo dijimos anteriormente las tasas de transmisión de datos serían muy similares a las de cable ya que las tecnologías de transmisión inalámbrica de datos, tienen su base en la transmisión cableada de datos. La tecnología de sensores sin cable está en su etapa inicial pero presenta una muy buena solución a muchos problemas en varios campos de acción, las industrias de 2

10 cualquier tipo podrán monitorear varios parámetros de sus procesos sea cual sean estos, a nivel doméstico también serán utilizables ya que se podrán monitorear diversos parámetros que ayuden a mejorar la comodidad y seguridad en el hogar, por tal razón el advenimiento de los sensores inalámbricos será el boom que revolucione todo nuestro entorno Objetivos Generales.- - Realizar un estudio del estado actual del monitoreo con sensores en la industria florícola internacional y nacional, recomendar cual sería la solución más ideal para el monitoreo de invernaderos y comenzar la construcción del sistema ideal. Específicos.- - Investigar el estado actual del monitoreo de sensores para ciertos parámetros en las industrias. - Investigar el estado actual del monitoreo con sensores en la industria florícola del Ecuador. - Realizar una recomendación para un sistema ideal para la industria florícola del Ecuador. - Realizar un prototipo que sirva como base para trabajos futuros hasta alcanzar la creación de un sistema ideal. 3

11 1.3. Alcance El presente trabajo proveerá de información acerca del estado actual del monitoreo con sensores, tanto nacional como internacionalmente, con la finalidad de enfocarnos en la creación de un sistema ideal para la industria ecuatoriana, además se presentará un prototipo de sensor de temperatura el que servirá como base para el trabajo futuro hasta alcanzar un sistema que sea de bajo costo y alta funcionalidad Justificación El desarrollo de las tecnologías inalámbricas como se lo ha dicho será la revolución que cambie todo nuestro entorno tanto en hábitat, como en el trabajo, las tecnologías inalámbricas rápidamente están llegando a ser parte fundamental en la vida de todos, en estos días el celular ya no es un lujo, en algunos casos es una herramienta más de trabajo, ese fue el primer paso que personalmente todos damos hacia un mundo inalámbrico, actualmente todo es susceptible de monitoreo sea en el trabajo, el hogar, nuestro vehículo y quien sabe ya pronto hasta nuestro cuerpo, en este momento existen infinidad de sensores que nos permiten ver de una manera diferente nuestro entorno, sensores de temperatura, humedad, presión, ritmo cardiaco, velocidad vehicular, son parte de los que hoy por hoy tenemos para facilitar la interpretación de nuestro medio ambiente y de nosotros mismos, la gran mayoría de estos sensores siguen anclados al mundo de los cables por tal razón tienen la desventaja de los mismos, imagínense que podamos monitorear y ver lo que sucede a varios metros a la redonda, y que mejor aun varios kilómetros a nuestro alrededor. 4

12 Por tal motivo el estudio de las tecnologías inalámbricas aplicadas al monitoreo con sensores es una herramienta muy poderosa que vamos a llegar a tener en un futuro no muy lejano, y ésta es la razón por la que al aprender más sobre la misma, haremos un mundo mejor, más confiable y a nivel de empresa más rentable, porque romperemos las barreras de la distancia teniendo así una herramienta muy buena para mantener siempre vigilado nuestro entorno sin importar la distancia a la que nos encontremos. 5

13 CAPITULO II 2.1. Monitoreo con sensores En la actualidad en todo el mundo el monitoreo mediante sensores es muy común y básico en algunos casos, en nuestro entorno de vida, de trabajo o de diversión estamos rodeados de muchos sensores que nos ayudan a mejorar nuestro estilo de vida, y que nos brindan mayor seguridad, y por ende tranquilidad de realizar nuestras actividades diarias con la certeza de que todo está en orden y vigilado, y que podremos tomar acciones y decisiones a tiempo para corregir problemas en función de los datos que nos arroja el sensor y que lo podemos ver. La variedad de sensores que existen actualmente es muy extensa, tenemos sensores que nos ayudan a monitorear nuestro medio ambiente, nuestros vehículos, nuestras empresas o industrias y sus procesos, e inclusive sensores que nos permiten monitorear nuestro cuerpo y su funcionamiento. En lo que concierne al monitoreo de nuestras industrias y sus trabajos, actualmente hay equipos que permiten mantener vigilados todos y cada uno de los procesos y maquinarias, y de esta forma tener la tranquilidad necesaria, de que la industria siempre estará operando y produciendo productos excelentes, que estarán cumpliendo todos los parámetros necesarios para satisfacer las normas de calidad exigidas. Dentro de la industria florícola que es en la que centraremos este estudio, vemos que es muy indispensable vigilar ciertos parámetros que pueden afectar a 6

14 nuestro cultivo, siendo más específicos el cultivo de rosas, es muy importante mantener vigilada la temperatura y humedad principalmente, de ahí se podría monitorear otros parámetros como son luminosidad, nutrientes o fertilizantes que hagan falta y algunos que se consideren necesarios, pero la temperatura y humedad son los más importantes, ya que de estos dos parámetros dependen mucho el tipo y calidad de flor que nos brinde nuestro cultivo. En Ecuador, el proceso de monitoreo de estos dos parámetros se lo realiza mediante un proceso manual, sea con medidores analógicos los cuales son difíciles de interpretar, o con medidores digitales que nos brindan una mayor precisión en los datos, pero como se lo dijo anteriormente es un proceso manual que requiere de una persona o personas que se acerquen físicamente al dispositivo y hagan la lectura del mismo, lo que podría producir error humano por descuido. Dentro del proceso manual digital tenemos varios equipos que nos brindan datos muy precisos y que en ciertos casos disponen de alarmas visuales o sonoras de aproximación a límites que nosotros configuremos, como ejemplo podemos encontrar el Data logger ESCORT MINI MI-IN-D-2-L (Ver Fig. 1) que es un sensor de temperatura de muy buena precisión, el que puede ser configurado para que realice toma de lecturas en ciertos intervalos de tiempo, lo que produce un ahorro de energía, tiene una alarma de alta o baja temperatura de acuerdo a los niveles que nosotros configuremos, lo que podría ser de gran ayuda en nuestro caso, y además se lo podría llevar y conectarlo al computador para realizar un respaldo de las lecturas y poderlas analizar en un futuro de ser necesario. Dentro de las soluciones de 7

15 monitoreo esta herramienta parece ser muy buena por sus funcionalidades sobre todo por las alarmas que se le puede configurar, pero vamos a ver más adelante que ésta no es una solución viable, ya que nos producirá muchas complicaciones. Figura 1: Data logger ESCORT MINI MI-IN-D-2-L En la actualidad en nuestro país el clima está muy cambiante lo que hace que el proceso de control de temperatura sea muy crítico, ahora imaginémonos una noche en la que tenemos un cambio brusco de temperatura, la misma necesita ser corregida antes de que se produzca daños al cultivo, esto requeriría que cada cierto tiempo una persona deba acercarse a cada invernadero y monitorear la temperatura, y decidir si se necesita o no una corrección de la misma, aquí es donde se complica el monitoreo ya que podemos caer en el error humano; si la persona se queda dormida, cuando despierte podría ser demasiado tarde. Este es uno de los posibles riesgos que el proceso manual tiene. 8

16 La solución aparentemente es bastante sencilla, automatizar el proceso para evitar el error humano o minimizar el mismo, la búsqueda de esta solución es en la que muchas empresas, universidades y personas están trabajando alrededor del mundo, tal es así que como una solución muy buena de monitoreo actualmente son las estaciones meteorológicas que muchas empresas fabrican, dichas estaciones meteorológicas nos presentan varias funcionalidades, principalmente el monitoreo de varios parámetros mediante el uso de sensores específicos para ciertos casos como temperatura y humedad, velocidad del viento, cantidad de lluvia caída, entre otros. Además estas estaciones meteorológicas nos brindan la posibilidad de tener un panel de control fácil de transportar el mismo que recibe datos de los sensores hasta 100 metros a la redonda, lamentablemente este ya es un limitante, ya que esta distancia para una finca de varias hectáreas nos ocasionaría falta de cobertura. Estas estaciones a parte del limitante en la distancia entre sensor y panel de monitoreo, también tienen el límite del número de sensores que pueden operar, lo que haría que debamos tener un panel de monitoreo por cada cierto número de sensores haciendo así un poco más complicado el monitoreo en el caso de una finca. Una de las estaciones meteorológicas más completas en el mundo es la WMR200 (Ver Fig. 2) de la empresa Oregon Scientific, dicha estación meteorológica tiene un panel táctil, puede monitorear varios parámetros y entre los que más nos interesan son la temperatura y humedad, dispone una memoria para almacenar datos históricos de aproximadamente un mes, y lo que es más importante nos permite descargar los datos al computador para poder tener un histórico, que nos 9

17 podría servir para realizar previsiones de clima en un futuro, uno de los limitantes de ésta estación es la distancia de transmisión y el número de sensores a operar los cuales son 100 metros y 10 sensores máximo, lo que se podría traducir al monitoreo de 10 invernaderos aproximadamente por cada panel de monitoreo. Lo que a un precio de $420 dólares (precio internacional) por el panel de monitoreo y $50 dólares (precio Internacional) por cada sensor de temperatura - humedad parece ser una solución un poco conveniente. Figura 2: Panel de Monitoreo Oregon WRM200 Sensor de temperatura humedad Desafortunadamente seguiríamos cayendo en el tema del error humano, pues lo único que podríamos ganar es que la persona de monitoreo pueda vigilar un cierto número de invernaderos los cuales estén en los 100 metros del radio de cobertura, evitando que tengan que acercarse a cada invernadero y ganando un poco de tiempo, pero no evitaremos como en el ejemplo del monitoreo nocturno que pusimos que si se quedan dormidos no van a salir. 10

18 Como podemos ver hay muy buenas herramientas de monitoreo tanto analógicas como digitales, manuales o con algún grado de automatización, pero que necesitan de cierta movilidad de las personas hacia el sector donde se encuentran los sensores, dando así algunas complicaciones como las que ya se han dicho, una solución efectiva sería tener equipos de monitoreo que nos permitan vigilar todos los sensores de una finca desde una sola ubicación, lo que nos presentaría una ayuda muy grande, ya que podríamos observar todo lo que pasa en la finca pero desde un solo punto, ganando tiempo sin tener que desplazarnos por la finca para adquirir los datos. Con este panorama podemos encontrar equipos que nos permiten conectar un número muy alto de sensores y que nos dan la ventaja que desde un computador podamos observar los datos que estos nos devuelven, estos equipos se salen del esquema de las estaciones meteorológicas por ser equipos eléctricos, pero no obstante se los puede configurar para que trabajen como una, dando así la posibilidad de crearnos un sistema, una estación meteorológica a medida. Dentro de estos equipos uno muy completo es el FieldPoint de National Instruments (Ver Fig. 3), dicho equipo es un módulo apilable que nos permite conectar varios módulos de entrada o salida de datos, lo que nos facilitará la conexión de varios dispositivos de monitoreo, y la gran ventaja es que dispone de una interfaz Ethernet la que tiene una dirección IP, lo que nos permitirá enviar los datos directamente a un computador formando una red IP de equipos de monitoreo 11

19 los cuales enviarán su información a un computador central el mismo que tendrá el sistema de administración de todos los sensores. Figura 3: FieldPoint Como podemos ver esta parece ser la solución más ideal, podríamos implementar mecanismos que alarguen la distancia de cobertura del cable Ethernet que en la actualidad existen muchos, pero el costo es donde tendremos el problema ya que necesitaríamos un FieldPoint por cada invernadero y tantos módulos de entrada o salida como parámetros deseemos monitorear y a un costo de $ 1,449 dólares (precio internacional) por cada FieldPoint (más básico), $ 529 dólares (precio internacional) por cada módulo de entrada salida y de $ 4,299 dólares (precio internacional) por la licencia del software de desarrollo de aplicaciones para estos equipos, vemos que económicamente no sería una solución tan buena en las fincas de nuestro país. 12

20 Como hemos podido ver hay un sin número de soluciones de monitoreo para la industria florícola, baratas, caras, analógicas digitales, buenas, malas dependiendo del caso pero aun no hemos encontrado una que se ajuste al entorno de nuestro país que sea funcional y de bajo costo. 13

21 CAPÍTULO III 3.1 Casos de estudio y sistema ideal Como hemos podido observar hay varias herramientas que nos ayudan a monitorear parámetros climáticos dentro de un invernadero. En la actualidad muchas empresas, universidades y personas están encaminadas a buscar nuevas soluciones para el monitoreo o explotar de mejor manera los equipos existentes con la finalidad de entregar herramientas robustas y sobre todo que tengan costos módicos y accesibles. Uno de los principales problemas que se ha podido observar y palpar en el desarrollo de herramientas de monitoreo, es la forma de comunicación entre los sensores y la estación que realiza la adquisición o el despliegue de información de los mismos, hoy tenemos buenos equipos sensores, pero la parte de conexión de los mismos es muy complicada por tener que cubrir grandes distancias, y en esto también ya afecta la parte económica dado que a mayor distancia hay que aumentar equipos que amplíen el rango de cobertura del sistema. Esto ha hecho que se apunte a la tecnología inalámbrica, lo que haría que de cierto modo se abaraten los costos de instalación, y de paso nos quedará una herramienta muy robusta pues eliminaríamos el riesgo que produce el cableado y los equipos de repetición de señal que tenga. Como ejemplo de lo que se está haciendo para la construcción de sistemas robustos tenemos a la Universidad Politécnica de Cartagena, la misma con un grupo de estudiantes e ingenieros han diseñado un sistema con la utilización del 14

22 FieldPoint que lo vimos anteriormente y con la utilización de módulos para la adquisición de datos de temperatura y humedad (Ver Fig. 4 y 5). Figura 4: Esquema de conexión sistema de monitoreo 15

23 Figura 5: Pantalla del sistema de monitoreo Dentro de este proyecto ellos han podido transformar la interfaz cableada Ethernet del FieldPoint en inalámbrica con la utilización de equipos de red como son los routers y bridge, de esta forma ellos convirtieron un equipo cableado en inalámbrico, y dado que estos equipos inalámbricos presentan la facilidad de conectar antenas externas, han podido cubrir distancias de varios kilómetros, lo que para nuestro caso es una ayuda muy buena, con esto se podría cubrir la distancia que necesitamos para desde un solo punto monitorear toda la finca, lastimosamente como lo vimos con anterioridad el uso de estos equipos produce una inversión económica muy alta para nuestro entorno. Pero este estudio nos da mucha luz para poder explotar los principios del mismo, hemos podido ver que un equipo que está limitado por su comunicación de 16

24 cable, puede ser fácilmente trasformado en inalámbrico con la utilización de equipos de comunicación inalámbrica convencional como pueden ser los routers y access points, lo que nos da la ventaja de poder explotar las bondades de la comunicación inalámbrica WiFi como son seguridad, estandarización y cobertura mediantes equipos adicionales. Otro estudio muy interesante es el de la Universidad de Zaragoza, mediante una de sus empresas como lo es Libelium, ellos tienen el proyecto SquidBee (Ver Fig. 6), el mismo es un proyecto de sensores inalámbricos de hardware y código abierto, dicho proyecto está orientado a la investigación y fines educativos, dejando la aplicación comercial bajo responsabilidad de quién quiera ocuparlo, el proyecto consiste en sensores autónomos que tienen un ordenador miniatura el que crea una red de sensores conectando todos entre sí, cada sensor opera básicamente como un encaminador dando al facilidad de poder elegir rutas para llegar a un determinado sensor, estos equipos presentan la ventaja de monitorear varios parámetros como pueden ser temperatura, humedad, movimiento y sonido. El proyecto está basado en la tecnología ZigBee, lo que nos proporciona un equipo muy bueno, que presenta un ahorro de energía, dado que en esta tecnología mientras el dispositivo no haga nada está en un estado de reposo y además nos presenta la ventaja de poder operar sobre redes WiFi, ya que utiliza el estándar permitiéndonos expandir su cobertura con equipos inalámbricos WiFi de largo alcance. 17

25 Figura 6: Sensores SquidBee y receptor USB Otra de las principales ventajas de este estudio es que ellos complementan este equipo con un Gateway el mismo que se conecta al computador mediante un puerto USB estandarizando así su uso. Este proyecto es de mucha ayuda para todos los que quieran encaminarse en el mundo del monitoreo inalámbrico de sensores, realmente al facilitar los diseños tanto de hardware como software nos pone una base sobre la que podemos trabajar y mejorar este diseño, y hacer que poco a poco se ajuste a nuestras necesidades. Un estudio muy interesante es el que está desarrollando la Universidad de Harvard en conjunto con la empresa BBN Technologies, el que está encaminado al monitoreo de parámetros climatológicos y de contaminación de toda la ciudad de Cambrige, estos equipos de monitoreo están diseñados bajo comunicación inalámbrica WiFi lo que ha permitido crear una red tipo malla, que hace que todos se comuniquen entre sí alargando de esta manera su cobertura, se espera que una vez que el proyecto esté completo conste de 100 nodos inalámbricos que proporcionen información de temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento, presión del aire, índice de precipitaciones de lluvia y lo más importante los picos de 18

26 contaminación del aire. Todo esto con la finalidad de mejorar la calidad de vida de los habitantes, brindando una herramienta muy necesaria para ciertas personas, por ejemplo mencionan que las personas con asma podrán conocer los sectores con mayor contaminación y así evitar los mismos con el fin de salvaguardar su salud. Radios Wi-Fi (Ver Fig. 7) Cada nodo tendrá el tamaño de un ordenador Mackintosh mini, y uno de ellos incluirá un PC que funciona con el sistema operativo Linux, así como dos gigabytes de memoria de destello (flash memory, para el almacenamiento estable de información). Y, en lugar de usar el protocolo Zigbee de comunicaciones inalámbricas tradicional, los nodos llevarán instalados radios Wi-Fi estándar, dos en cada uno, una de ellas para la gestión y control de la red, y la otra para la experimentación. Virtualmente, cualquier tipo de sensor podría conectarse a estos nodos. De hecho, los investigadores esperan que, además de recoger y transmitir datos, los nodos sean utilizados por científicos computacionales para testar nuevos protocolos y softwares de red, lo que ayudaría a fortalecer las conexiones Wi-Fi (actualmente la única forma de probar estos protocolos sin cable es hacerlos funcionar en una simulación informática). Otras aplicaciones Otras futuras aplicaciones para CitySense (Ver Fig. 7) van desde la posibilidad de rastrear la posición de un transporte público determinado, para que 19

27 la gente sepa cuando viene el próximo autobús, por ejemplo; hasta la inclusión de cámaras de video para la monitorización de cualquier cosa. Los desafíos ahora radican en conseguir que esta red sea lo suficientemente segura como para que no falle, dada la importancia de su potencial uso para investigadores. Para ello, el sistema incorporará un programa informático que controlará el buen estado del nodo, y que, si detecta que algo va mal, interrumpirá de manera automática su funcionamiento. Por otro lado, BBN ha desarrollado varios protocolos de topología en malla que se ajustan cuando los nodos fallan, con el fin de asegurar el envío de datos de un punto a otro. (Tomado de Figura 7: CitySense y Radios WiFi 20

28 Como podemos ver este es un proyecto muy interesante que nos da una idea de que hay maneras de monitorear grandes distancias mediante la utilización de equipos que son muy comunes en nuestro entorno como son los equipos WiFi. Otro estudio interesante es el realizado en el Instituto Politécnico Nacional de México y más concretamente en la Unidad de Oaxaca, ellos crearon un sistema para el monitoreo inalámbrico de temperatura en los animales de carga (Ver Fig. 8), dicho sistema está constituido de dos partes, la primera es la parte del sensor la que se coloca en el animal, y está compuesta del sensor de temperatura, un acondicionador de señal, el trasmisor inalámbrico y un microcontrolador que controla el trabajo de los demás dispositivos, la segunda parte que es el módulo receptor, el mismo que contiene el receptor inalámbrico, una pantalla LCD para desplegar el dato de temperatura y de igual forma un microcontrolador que controla y coordina el trabajo de los demás elementos. 21

29 Figura 8: Receptor y sensor de temperatura inalámbrico Para este trabajo ellos utilizaron equipos fáciles de encontrar como son los microcontroladores PIC 16F874, que son muy comunes a nivel mundial y los encontramos en Ecuador sin ningún problema, éstos nos dan la facilidad de poder controlar los dispositivos de transmisión y adquisición de temperatura así como el acondicionamiento de la señal analógica a digital que es lo que se necesita para su transmisión. En el caso del módulo de temperatura se utilizó el módulo LM35D que es un módulo que está orientado a mediciones de temperatura en un rango de -55 a 150 ºC, y que de igual forma es muy común en nuestro país, por último para la parte más importante que es la comunicación, utilizaron los módulos de trasmisión de la empresa LINEAR TECHNOLOGY TXM-433-LC-R (Transmisor) y el RXM

30 LC-S (Receptor) que son módulos que trabajan en frecuencia libre de 433MHz y con una modulación ASK. Los que tienen una tasa de transmisión variable y modificable desde unos cuantos bits por segundo hasta 5Kbits por segundo lo que puede ser muy útil, estos módulos tienen una cobertura de aproximadamente 100 metros con una antena externa como la que se ve en la figura. Este trabajo a pesar de ser orientado al uso en animales es muy fácilmente modificable para el uso en la agricultura, ya que los dispositivos que usa pueden ser manipulados para que nos permitan hacer más cosas, lo que hace de este proyecto una excelente base para trabajar y la que estaría a un costo muy accesible acá en Ecuador, pues las partes que usan son de muy bajo costo y muy fáciles de encontrar en nuestro medio. Como estos hay muchos proyectos a nivel mundial que se están haciendo con la finalidad de mejorar el monitoreo de parámetros críticos para ciertas empresas, y como podemos ver casi todos se orientan a vigilar la temperatura y humedad dado que estos parámetros son estándar en todo tipo de industrias, y de estos pueden depender muchas cosas. A nivel de la industria florícola la temperatura y humedad dentro de nuestro invernadero también es muy importante, ya que de estos parámetros depende mucho el tipo y calidad de flor que salga, por tal motivo el monitoreo de estos parámetros dentro de cada uno de los invernaderos es primordial. En base a lo que hemos visto podríamos decir que un sistema óptimo para el monitoreo de invernaderos sería aquel que nos permita monitorear como mínimo 23

31 temperatura y humedad relativa del suelo, con sensores que nos den una muy alta precisión, lo que nos permitirá ser más granulares en las decisiones que se tomen por la variación de estos parámetros, deberá tener enlaces hacia los equipos de actuación del invernadero con la finalidad de poder encenderlos y apagarlos de acuerdo a las necesidades y ordenes emitidas por el sistema central, la comunicación entre los sensores y la estación base de monitoreo debería ser en forma inalámbrica para evitar la instalación de cableado y equipos de repetición que se necesiten para cubrir las distancias de las fincas, a nivel de la comunicación inalámbrica se debería utilizar una tecnología que nos permita con equipos de bajo costo cubrir distancias considerables, y de ser posible tratar de utilizar tecnologías estandarizadas para que sea fácil reemplazar en caso de fallos, de ser posible sería muy conveniente que se independicen el módulo de sensores del módulo de trasmisión con la finalidad que sea fácilmente reemplazable cualquiera de los dos. El uso de equipos WiFi sería muy bueno ya que permitiría la conexión con varios equipos portátiles lo que podría ser de gran ayuda. Además se debería disponer de un sistema con un entorno amigable al usuario, el que debe ser gráfico y muy explicativo, en el que se puedan ver todos los parámetros monitoreados por invernadero con la hora del último monitoreo realizado, para poder vigilar si el sistema está cumpliendo con los monitoreos establecidos. Para evitar el error humano debería disponer de una base de conocimiento que mediante ciertos datos básicos entregados por los expertos, nos mantenga los 24

32 parámetros de temperatura y humedad en los valores ideales para el tipo de cultivo que se indique, mediante el encendido de dispositivos físicos de control como podrían ser: disipadores de calor, calefactores, bombas de agua, etc. Además nos debería permitir realizar controles manuales de los dispositivos de actuación, y permitir detener, modificar y reanudar el ciclo de encendido de los dispositivos de actuación, indicándonos en todo momento el estado de los dispositivos y el tiempo restante que estos van a pasar encendidos hasta que se cumpla la condición, o hasta que llegue a los parámetros ideales según el tipo de cultivo, para lo cual en el momento que un dispositivo esté encendido, el monitoreo de los parámetros deberá ser constante para poder determinar el momento exacto que se apagarán los mismos. Con esto nosotros tendríamos un sistema básico y completo que mantendría siempre vigilado y en los valores óptimos los parámetros a monitorear, brindando así una herramienta completa para la industria florícola del Ecuador. Las posibles mejoras que se podrían realizar dependerían de las necesidades específicas de las florícolas, como pueden ser histórico de lecturas, histórico de corrección de parámetros, consulta de históricos vía web, entre otros. Pero como se menciona estas mejoras serían bajo pedido exclusivo de acuerdo al uso que se les pueda dar, ya que estas no afectan al corazón del sistema que es vigilar y corregir parámetros del invernadero. 25

33 CAPÍTULO IV PROTOTIPO SISTEMA DE MONITOREO DE TEMPERATURA 4.1 Introducción El cultivo bajo invernaderos en la actualidad es muy común, por lo que el proceso de control de temperatura es un factor extremadamente importante para el buen desarrollo del cultivo, con el crecimiento de las plantaciones se hace más y más difícil mantener un control constante de este parámetro dentro del invernadero, pues se corre el riesgo que estos factores no sean controlados adecuadamente por parte de las personas encargadas de vigilar los invernaderos, por esta razón se trata de buscar una solución para el eficaz control de temperatura, una de las soluciones que se propone en este proyecto es la construcción de un sistema de monitoreo, el mismo que nos permita tener los datos de temperatura de todos los invernaderos en tiempo real en una estación central de monitoreo, teniendo así monitoreados y controlados los invernaderos. Para esto se propone la creación de un sistema bajo Visual Basic que nos ayude a tener datos de temperatura en tiempo real de los invernaderos cuando se lo solicite. Los sensores se comunicarán a la estación central de monitoreo mediante tecnología inalámbrica trabajando con una modulación ASK y transmitiendo en una frecuencia de 433MHz lo que nos dará para las pruebas del prototipo aproximadamente 100 mts de radio de cobertura. 26

34 Se instalará un sensor de temperatura en cada invernadero el mismo que emitirá los datos de temperatura cuando la estación base lo solicite, teniendo así que tanto en la estación base como en los sensores exista un transmisor y receptor de información, lo que nos permitirá además expandir las aplicaciones de estos sensores. 4.2 ESPECIFICACION DE REQUISITOS REQUISITOS DEL SISTEMA El Sistema como objetivo principal tendrá la presentación visual del dato de temperatura que emita el sensor una vez que se lo solicite. Para esto se construirá una aplicación que nos permita solicitar la información de un determinado sensor. La comunicación entre el dispositivo de adquisición de datos y el computador se la realizará a través del puerto USB, haciendo así un sistema que pueda ser ocupado con cualquier computador actual. Los sensores que se instalen en los invernaderos deberán comunicarse mediante tecnología inalámbrica para permitir la transmisión y recepción de datos En esta primera fase de prueba se realizará la adquisición solo de los datos de temperatura por efecto de costo de los sensores. 27

35 4.2.2 REQUISITOS DE HARDWARE (COMPUTADOR) Requerimientos mínimos del sistema: Procesador Pentium IV 1800MHz. 256Mb. En memoria RAM 50Mb. De espacio libre en el disco duro CD-ROM Windows XP Puerto USB 4.3 CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO DISEÑO Según las especificaciones que se tienen del sistema, su funcionamiento y necesidades, se propone la construcción de un prototipo que maneje los siguientes aspectos de software y hardware Diseño de Software El sistema de adquisición de datos en su primera etapa realizará la adquisición de la información de temperatura de un determinado invernadero, tiene como objetivo principal el presentar la información de temperatura en forma visual en la pantalla del computador del invernadero que se solicitó. 28

36 El mismo ha sido creado en un lenguaje de programación de cuarta generación, el que brindará un entorno visual muy amigable y de fácil uso para el usuario, el sistema presentará controles para solicitar información de un determinado sensor y un lugar de presentación de la información, el sistema idealmente no tiene un número de sensores máximos a manejar, pero dependiendo del número de parámetros a monitorear, se debería modificar la interfaz de presentación de datos ya que en una pantalla de monitor vamos a tener un número limitado de sectores para desplegar información. Con el fin de estandarizar el uso del sistema para el manejo de información se deberá utilizar el puerto USB, el que nos permitirá un mejor manejo de información, y que hoy es un periférico base en todos los mainboards y computadores portátiles Diseño de Hardware El prototipo como función principal tiene el manejo de la información en forma inalámbrica, por lo que se analizó varias tecnologías de comunicación, se necesita equipos que tengan un bajo consumo de energía y que presenten una alta relación costo beneficio ANALISIS DE COMPONENTES IDEALES PARA EL PROTOTIPO Como se lo indicó en la parte de requisitos y diseño del prototipo, es necesario medir la temperatura de un invernadero en forma inalámbrica, y que estos datos sean visualizados en un sistema que se ejecute en un computador. 29

37 La parte principal que se debe analizar en este prototipo es la forma de cómo medir la temperatura ambiental dentro del invernadero. Para esto en la actualidad existen muchos dispositivos eléctricos que miden la temperatura sea en grados kelvin o centígrados, y que tienen varios niveles de precisión y consumo de energía, los circuitos LM335, LM235, LM135 miden la temperatura con una calibración en grados kelvin y en rangos desde los -40 a 100 grados centígrados, también podemos encontrar el LM45 que mide temperaturas desde -20 a 100 grados centígrados con un consumo de energía desde los 4 a 10 voltios, y que nos provee de una salida de tensión eléctrica de 10 mili voltios por cada grado centígrado, pero este circuito es más orientado a monitoreo de equipos eléctricos, encontramos también el LM35 que es un circuito que mide temperatura en grados centígrados, en el rango de -40 a 110 grados centígrados, que entrega una salida eléctrica de 10 mili voltios por cada grado centígrado, y que está orientado al monitoreo de temperaturas ambientales, por lo que haría de éste el más apropiado para nuestro prototipo. Como se puede observar todos los circuitos que miden temperatura y que podrían ser los más óptimos para el prototipo, entregan el valor de temperatura como corriente eléctrica variable, lo que hace que un cierto valor en grados centígrados corresponda a un valor en voltios. Para procesar esta información se hará indispensable el cambiar el valor analógico de temperatura que entrega el circuito, a un valor digital que pueda ser procesado e interpretado por un computador. Para esto se requerirá de la utilización de un circuito conversor analógico a digital, como el ADC0804CN (ver Fig. 9) que permite convertir señales analógicas y pasarlas a digitales en el rango de 0 a 5 voltios que es lo que comúnmente interpretaría el 30

38 puerto paralelo para el que está orientado a trabajar este conversor, a continuación podemos ver un esquema del trabajo de este conversor para enviar la información por el puerto paralelo. Figura 9: Diagrama de uso del conversor ADC0804 y el puerto paralelo Como sabemos el puerto paralelo permite la lectura de su localidad de memoria, la que está formada por una palabra de 8 bits, el conversor entrega un dato transformado a 8 bits de resolución los cuales serán enviados al puerto paralelo para su lectura mediante algún sistema que lea el dato de la memoria del puerto paralelo. Con esto nosotros ya tendríamos listo un mecanismo que nos mida la temperatura ambiental y que envíe el dato al computador, pero analicemos lo que tenemos, podemos tener el valor de la temperatura ambiente, pero ésta va a ser enviada al computador por el puerto paralelo, el que sólo nos permite un máximo de 2 metros de cable entre el computador y el dispositivo que emite la señal al mismo, y si deseamos conectar más sensores necesitaríamos un puerto paralelo para cada uno o 31

39 algún tipo de multiplexor que me permita aumentar virtualmente el número de puertos. Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una salida de datos (ver Fig. 10), y están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada a la salida que es única. Figura 10: Esquema de funcionamiento de un multiplexor Se podría trabajar con un conversor ADC804, el mismo que es un integrado que emite la señal digital en forma serial, lo que nos permitiría trabajar con el puerto serie del computador ahorrándonos el número de líneas del puerto ya que sería solo una, pero igual caemos en el tema del número de líneas seriales que disponemos en el computador y llegaríamos de igual manera al uso de multiplexores que nos permitan manejar varios sensores por una misma línea de entrada del computador, lo que hace que el mecanismo de adquisición de datos vaya creciendo en tamaño físico. 32

40 Figura 11: Esquema de funcionamiento del sistema mediante el puerto paralelo o serie Como podemos observar en la imagen anterior (ver Fig. 11), el sistema estaría formado por el sensor, el acondicionador de señal que en este caso sería el conversor analógico a digital, y en el caso de necesitar conectar varios sensores, para no tener que usar un puerto paralelo o serie para cada sensor utilizaríamos un multiplexor de los que comúnmente se encuentran en el mercado. Hasta aquí ya tendríamos un monitoreo de temperatura ambiente y de varias localidades, pero que se conecta por cable al computador, el siguiente paso sería buscar el mecanismo para transmitir el dato del sensor hacia el computador en forma inalámbrica, buscando además la forma de identificar de que sensor viene la información. 33

41 Figura 12: Esquema de funcionamiento del sistema mediante el puerto paralelo o serie y en forma inalámbrica Una solución que se podría optar es poner un receptor de información para cada sensor (ver Fig. 12), quedándonos algo muy similar al diagrama anterior, en el que de igual forma para monitorear varios sensores necesitaríamos de un multiplexor para canalizar los datos del receptor del que deseamos conocer el valor de temperatura, quedando el resto del circuito idéntico al de transmisión por cable. Como vemos no estaríamos optimizando recursos ya que el hecho de poner un receptor por cada sensor en la estación base de monitoreo haría que el equipo físico de adquisición de datos sea extremadamente grande y costoso, ya que tendríamos un equipo de recepción y acondicionamiento de señal por cada sensor, además que seguimos con el limitante de trabajar con el puerto serie o paralelo, mediante el uso de los multiplexores. Independientemente de la tecnología de transmisión inalámbrica que se use, la que podría ser radio frecuencia en cualquier frecuencia como 433MHz, 900MHz o cualquier otra de uso libre, WiFi, bluetooth o la que más se ajuste a las necesidades de distancia y seguridad de la información que se desee dar, la necesidad básica sería 34

42 optimizar cómo recibe los datos el computador para de esta forma abaratar los costos del equipo de monitoreo, pues hasta ahora vemos que una solución sería el uso de multiplexores pero con el limitante de tener equipos de recepción por cada sensor, con la finalidad de que no exista choque de información y se pueda acceder al dato de un determinado sensor, obviamente esto querría decir que cada sensor debería operar en una frecuencia diferente o en un canal de comunicación diferente para evitar el choque de información. Como vemos a medida que se va aumentando las necesidades del prototipo los elementos con los que hasta el momento se está planificado trabajar nos están quedando cortos, obsoletos y de una dificultad de trabajo muy alta. Dado esto se hace necesario buscar componentes que nos ayuden a optimizar el trabajo, y es ahí donde aparecen los microcontroladores. Un microcontrolador es un circuito integrado o chip, el mismo que incluye todas las características básicas de un computador como son CPU, Memoria y Unidades de entrada / salida, y que son programables por el usuario para que realicen varias actividades. 35

43 Figura 13: Esquema de funcionamiento de un microcontrolador Algunos microcontroladores nos presentan más ventajas además de las mencionadas, como son el conversor analógico / digital el cual puede ser accedido por código de programación y con ciertos niveles de precisión, osciladores de reloj para trabajos que necesiten sincronización, manejo de protocolos de comunicación serie y por sus localidades de memoria se les puede asignar un nombre único al que se pueda hacer referencia en caso de necesitar datos de un determinado microcontrolador. Este es el paso más adecuado para la construcción de nuestro prototipo, ya que con un solo microcontrolador podemos hacer el trabajo de varios chips que antes los teníamos por separado, y que hoy en la actualidad por el avance tecnológico, ya encontramos microcontroladores que nos acondicionan la señal para que pueda ser 36

44 enviada y procesada por el puerto USB o el puerto de red del computador, estandarizando así el uso de estos periféricos que son comunes en los equipos de cómputo y que han venido a reemplazar y optimizar el trabajo de los puertos serie y paralelo. En función de esto se ha optado por manejar los datos por medio del puerto USB del computador por ser un puerto estándar en la mayoría de equipos portátiles o de escritorio, para esto se tiene varias opciones como son los microcontroladores de la serie PIC 18F2455, PIC 18F2550, PIC 18F4455 y PIC 18F4550, y que los distribuyen varias empresas que se dedican a la construcción de microcontroladores, nosotros utilizaremos los de la empresa microchip ya que esta marca es la que más comúnmente se encuentra en el mercado ecuatoriano, estos son microcontroladores que acondicionan la señal para que la misma pueda ser procesada mediante el puerto USB, y que de igual forma tienen las características básicas de los microcontroladores como son CPU, Memoria y Unidades de entrada / salida, la diferencia entre uno y otro modelo, es el tamaño de la memoria, la misma que nos sirve para medir cuantas líneas de código puede soportar el microcontrolador y el número de entradas / salidas que dispone cada uno. Flash # SRAM EEPROM Entradas/Salidas Conversor (bytes) Instrucciones (bytes) (bytes) A/D 10 bits PIC 18F K PIC 18F K PIC 18F K PIC 18F K Tabla comparativa Microcontroladores serie 18F 37

45 Según la tabla anterior la opción más adecuada sería el usar el PIC 18F2550 ya que es el que dispone de mayor memoria lo que nos permitirá expandir el código para que realice más acciones que las básicas que se tendrían solo para el monitoreo de temperatura y las 24 líneas de entrada salida que dispone son suficientes para él manejo de los trasmisores inalámbricos que son los únicos dispositivos que debe manejar éste microcontrolador, con esto ya tendríamos la forma de controlar los dispositivos de comunicación inalámbrica o cualquier otro dispositivo y tendríamos la señal acondicionada para que sea interpretada por el computador, lo que nos daría así ya la estación base de monitoreo, lo siguiente sería buscar la optimización del sensor de temperatura, para lo cual sería ideal de igual forma trabajar con un microcontrolador, el que tenga la opción de convertir los datos analógicos del sensor a digitales para que puedan ser enviados y procesados. De igual manera que en los anteriores hay varias empresas que fabrican microcontroladores, pero nosotros utilizaremos los de la empresa microchip por las razones citadas anteriormente, tenemos varias opciones de microcontroladores que nos ofrecen el conversor analógico / digital interno, como por ejemplo PIC 16F873A, PIC 16F716, 16F819 y PIC16F877A. Las diferencias estarán en la cantidad de memoria, número de entradas / salidas y de si disponen de oscilador interno o hay que adaptarles uno para su funcionamiento. 38

46 Flash # SRAM EEPROM Entradas/Salidas Conversor (bytes) Instrucciones (bytes) (bytes) A/D PIC 16F873A 7.2K (10bits) PIC 16F x x (8bits) PIC 16F (10bits) PIC 16F877A 14.3K (10bits) Tabla comparativa Microcontroladores Serie 16F Como no se necesitan muchas líneas de entrada salida, pero si de un buen conversor analógico a digital la opción más adecuada sería el PIC 16F819, el cual dispone de 5 conversores de 10 bits y con sus 16 líneas de entrada / salida hacen que éste sea el más indicado para este prototipo además con las líneas sobrantes del manejo del sensor y los módulos inalámbricos se podrían fácilmente aumentar más sensores o conectar equipos de actuación. Al emplear un microcontrolador a los dos lados de la comunicación, nosotros ganamos la opción de poder generar mediante código de programación en los microcontroladores algún tipo de protocolo que nos ayude a identificar cada sensor, con la finalidad de evitar choques de información y poder trabajar bajo un mismo tipo de equipos de comunicación, debido a que cada microcontrolador tendrá un nombre único con el que se podrá identificar y solicitar información. De esta manera nosotros podremos tener en la estación base un solo receptor de información, por código de programación garantizaríamos que un sólo sensor emita datos a la vez evitando el choque de información, y evitando el uso de los multiplexores lo que haría que nos quede un sistema más robusto y de menor espacio físico. 39

47 4.3.3 CONSTRUCCIÓN Como se requiere de comunicación inalámbrica para la adquisición de datos de los invernaderos, en este prototipo se ha trabajado con módulos que operan en la frecuencia de 433MHz, que es una frecuencia libre que no necesita permisos de operación, pero limitada en su distancia de trabajo que es aproximadamente de 100 metros lineales dependiendo de las condiciones y de la antena que se use, pero el prototipo queda abierto a trabajar con cualquier tipo de módulo de comunicación inalámbrica que pueda brindar un mejor servicio a nivel de distancia de cobertura que es lo que prima dentro de una finca. La arquitectura de funcionamiento del sistema se la podrá observar en los gráficos siguientes: Arquitectura Básica del Sistema 40

48 Arquitectura Múltiple del Sistema El sistema como se puede observar está orientado a trabajar con múltiples sensores que serán instalados en varios invernaderos y que tienen comunicación bidireccional entre sensores y la estación base de adquisición de datos. Para garantizar un ahorro de la energía al momento que se realiza el proceso de trasmisión y recepción de datos cada módulo inalámbrico se activa solo para hacer su trabajo y se garantiza que estará solo uno encendido a la vez, evitando además el choque de información. Los equipos trabajan con un voltaje mínimo lo que hará que se presente un ahorro de energía, el módulo base que se conecta al computador trabaja con la energía que proporciona el puerto USB y los sensores operan con una batería de 9 voltios. 41

49 Construcción del protocolo de comunicación del prototipo Para la comunicación entre el sensor y la estación base, se diseñó un protocolo básico de comunicación para garantizar la trasmisión del dato, este protocolo puede y debería variar en función de la distancia de transmisión. El protocolo funciona de la siguiente manera: Se envía desde la estación base el número del sensor del que se desea conocer la temperatura en forma repetitiva por un determinado tiempo, esto se lo hace para garantizar que el dato llegue al sensor completo y entendible, luego de pasado este tiempo la estación base queda en espera de recibir el dato, lo que quiere decir que apaga su transmisor y enciende el receptor, garantizando así que no habrá choque de información; el sensor en su estado de espera está siempre recibiendo datos por lo que al momento que recibe la petición de enviar información la que se acepta 42

50 mediante la validación del nombre que envía la base y el nombre del sensor almacenado en su memoria, los nombres de los sensores son únicos y solamente responderá el sensor del que se está solicitando información, los demás sensores seguirán en su estado de espera hasta que se solicite el envío de información de los mismos mediante el procedimiento citado, el sensor del que se solicitó información, envía el dato en forma repetitiva por un determinado tiempo hasta que la estación base lo reciba y lo envíe al sistema de presentación de datos, cabe señalar que el estudio de tiempos se lo debe realizar y probar en función de la distancia que se desea cubrir COMPONENTES DEL PROTOTIPO Sensor de Temperatura Para adquirir el dato de temperatura dentro del invernadero se ha creído conveniente utilizar el circuito integrado LM35, que es un sensor de temperatura que mide la misma en grados centígrados. El LM35 es un circuito integrado sensor de temperatura con tres terminales, que da una salida lineal de tensión de 10mV/ o C. Estos dispositivos van en encapsulados plásticos TO92. Son muy apropiados para medidas de temperatura ambiente. 43

51 Características técnicas: Temperatura de funcionamiento: LM35 DZ de 0 o C a 100 o C LM35CZ de -40 o C a +110 o C Tensión máxima absoluta de +35V a 0.2V Tensión de funcionamiento de +30V a +4V Corriente en reposo a 5V 91µA normal Precisión a 25 o C LM35 CZ ±0,4 o C normal 44

52 LM35 DZ ±0,9C normal MICROCONTROLADORES Y CIRCUITOS PIC 18F2550 Este microcontrolador es el encargado de brindar la comunicación entre la placa de adquisición de datos inalámbrica y el computador mediante el uso de un puerto USB, se decidió la utilización de este circuito por la ventaja de la conversión de las señales eléctricas para su procesamiento mediante el PC con el puerto USB. Estandarizando de esta manera el uso de este equipo en cualquier computador de última generación. Se eligió el PIC 18F2550, por ser el que más se ajusta a las necesidades del prototipo, dado que es la serie que tiene el menor número de entradas / salidas (24 líneas entrada / salida) y la mayor cantidad de memoria, y en vista que en nuestro caso sólo necesitamos pocas líneas para manejar los transmisores y los componentes básicos para el funcionamiento del microcontrolador hacen de éste la opción más adecuada, además como vimos la serie 18F de microcontroladores hacen exactamente lo mismo, teniendo las diferencias en memoria y cantidad de entradas y salidas. El PIC 18F2550 es el que más fácilmente se encuentra en nuestro medio facilitando así la reducción de costos y construcción del prototipo. 45

53 Esquema del microcontrolador PIC 18F Diagrama esquemático de conexión USB al PC 46

54 Diseño de la placa de conexión USB al PC PIC 16F819 Este microcontrolador es el encargado de interactuar entre los sensores y módulos inalámbricos, el mismo dispone de 16 entradas/salidas de datos que permiten conectar sensores o equipos eléctricos que se encargarán de corregir las variaciones en los parámetros monitoreados, además de poder conectar dispositivos que permitan verificar el estado del equipo como son leds de encendido. En este prototipo como se lo dijo se ha utilizado sólo un sensor de temperatura para la fase de pruebas, pero esto no quiere decir que el microcontrolador no pueda soportar más, actualmente en este circuito tenemos 7 líneas libres las cuales pueden ser utilizadas para conectar el sensor de humedad que 47

55 falta y hasta 6 actuadores, que realmente para el uso en un invernadero es más que suficiente. Como se puede ver se eligió el PIC16F819, ya que dispone de las suficientes líneas de entrada y salida (16 líneas entrada / salida) necesarias para el manejo de sensores, actuadores y transmisores de datos, dispone además de un conversor analógico/digital interno de 10 bits que es de mucha ayuda para manejar más rápidamente los datos que emite el sensor. Como se lo explicó anteriormente no se eligió ningún otro microcontrolador de esta gama, ya que la cantidad de memoria y líneas de entrada / salida de este microcontrolador eran las suficientes para este prototipo, los otros microcontroladores que hacen el mismo trabajo que el 16F819 y que fueron mencionados a excepción del PIC 16F716 que es el que dispone del menor número de entradas / salidas pero con un conversor de 8 bits por lo que no se eligió este, disponen de un mayor número de líneas de entrada / salida y que en nuestro caso no son necesarias. Esquema del microcontrolador PIC 16F

56 Diagrama esquemático del sensor Diseño de la placa del sensor 49

57 De necesitarse un número más alto de líneas de entrada/salida se podría utilizar el siguiente microcontrolador de la familia que es el PIC 16F877 el que tiene 30 entradas/salidas, y el cambio dentro de la placa es mínimo ya que funciona igual pero la diferencia es el número de entradas y salidas MÓDULOS DE TRANSMISIÓN INALÁMBRICA Dentro de este prototipo se utilizó módulos de transmisión inalámbrica que operan en frecuencia de radio de 433MHz. por su costo, la funcionalidad de los mismos nos permiten alcanzar hasta 100 mts. de distancia con la utilización de antenas externas. 50

58 Dentro del diseño del circuito queda abierta la posibilidad de cambiar estos circuitos de comunicación de manera fácil, para que si se desea trabajar con algún otro tipo de tecnología inalámbrica se lo pueda hacer con facilidad INTERFACE DEL SISTEMA Interface de Pruebas Inalámbricas 51

59 Esta interfaz se creó para la etapa de pruebas del sistema inalámbrico, básicamente está orientada sólo a la adquisición del dato de temperatura de un determinado sensor, el que se solicita mediante la presión del botón del sensor del que se desea conocer la temperatura. Inmediatamente el sistema comienza a trabajar en base al protocolo que se citó anteriormente. El código fuente del mismo se lo observará en la parte de anexos Interface de un Sistema de Monitoreo Completo 52

60 Esta interfaz ya es de un sistema de monitoreo y actuación completo, este sistema maneja políticas de monitoreo y una base de conocimiento para el control de temperatura y humedad, realizará un monitoreo de los parámetros cada cierto tiempo, el tiempo entre monitoreos es un parámetro que especifican los Ingenieros Agrónomos en función del tipo y estado del cultivo, de ser necesario además realizará el encendido de los dispositivos de corrección del invernadero, mientras algún dispositivo de corrección esté encendido el monitoreo será constante para poder determinar en qué momento se regresó a los valores ideales y poder apagarlos, una vez apagados los dispositivos de actuación se regresará al monitoreo de acuerdo al tiempo programado. 53

61 Es un sistema que estará siempre pendiente del invernadero, dentro de una política de seguridad se puso que nadie lo pueda cerrar para evitar la desconexión de monitoreo o controles, por lo que se solicitará una clave para poder cerrarlo. El sistema queda abierto a ser adaptable a las necesidades de la empresa, se podrían configurar alertas sonoras en caso de no existir conexión con los dispositivos de actuación, esto se lo haría para que el usuario o usuarios del sistema sepan que hay invernaderos que están dentro de valores críticos y puedan salir a realizar la corrección de los mismos. De igual forma la base de conocimiento queda abierta a ser modificada con los parámetros que los Ingenieros Agrónomos indiquen que son los ideales para su finca COSTOS El costo del prototipo que se dispone en la actualidad es muy bajo, el mismo podrá variar de acuerdo a lo que el usuario necesite que haga, para tener un referente presento los costos del prototipo: Costo del Sensor (solo datos de temperatura) $ 50,00 Costo receptor USB $ 60,00 Costo sistema (monitoreo solo temperatura) $ 500,00 54

62 4.3.7 PRUEBAS Las pruebas se las realizaron al aire libre para ver la funcionalidad del sistema, como se podrá apreciar en las fotografías siguientes los circuitos se los probó sin la utilización de antenas propiamente dichas, en el módulo base que se conecta al computador se podrá apreciar que se colocó un cable solido como antena de aproximadamente 10 centímetros, en el módulo sensor no se coloco ningún cable que haga de antena, esto se lo realizó con la finalidad de probar la potencia sola de los módulos inalámbricos, con ésta configuración de los equipos se pudo cubrir distancias de aproximadamente 15 mts., lo que deja como buena referencia que con el uso de antenas que posean una ganancia considerable se pueda cubrir grandes distancias, inclusive se podría dar el caso que se cubran distancias de más de 100 metros que se tienen en las especificaciones del equipo. En lo concerniente al sistema como se puede observar se ocupó un computador portátil en el que funcionó el sistema sin ningún problema. La precisión del dato de temperatura puede ser fácilmente calibrada desde el código fuente del sistema sin la necesidad de realizar ningún ajuste físico en los equipos de adquisición de datos. 55

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