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I. INTRODUCCIÓN

En años recientes los sistemas basados en la tecnología WSN han sido ampliamente aplicados en diferentes campos de la industria, la agricultura, la medicina, la minería y en otras áreas del sector productivo [1]. Según diferentes estudios se pronostica que una de las grandes aplicaciones de la tecnología inalámbrica será el monitoreo de variables ambientales en la industria agropecuaria y en la investigación [2]. Es así como la industria porcícola se ha visto estimulada a innovar en el proceso de levante de los animales debido a la gran demanda de carne de cerdo, donde las nuevas soluciones buscan modelar y volver más competitivos los procesos técnicos en las granjas, por ejemplo, correlacionar las variables ambientales relacionadas con el ciclo crianza de cerdo, cuantificar los vertimientos que genera la actividad porcícola, entre otros [3].

Para gestionar la producción y el manejo ambiental de la actividad porcícola, una estrategia consiste en el monitoreo en los sitios de crianza, donde se toman lecturas de diferentes variables físicas. Gran cantidad de trabajos han sido desarrollados bajo tal enfoque, donde se proponen diferentes métodos que permiten supervisar la salud, el peso, brote de enfermedades, a partir de datos de consumo de agua, temperatura, humedad ambiente, captura de imágenes entre otras, si bien estos desarrollos son robustos, es necesario que el diseño sea escalable y pueda ser replicado en pequeñas, medianas y grandes granjas [4-6]. Otros desarrollados utilizan tecnología UHF–RFID, con la cual, es posible determinar el estado de salud, el crecimiento, los patrones de alimentación y sueño del animal, además estos equipos poseen grandes ventajas técnicas, la primera es que estos son de fácil instalación debido a que operan bajo una comunicación inalámbrica, son escalables ya que se pueden adicionar cuantas tarjetas RFID se requieran, sin embargo los costos de inversión inicial son altos, utilizándose principalmente en granjas con un alto volumen de cerdos, el sistema de gestión es complejo, vulnerable a colisiones y al fraude [7-9].

Similarmente existe gran cantidad de trabajos que están enfocados en brindar herramientas digitales al porcicultor. Estos buscan liberar el estrés que se origina en el proceso de engorde de los animales a través de plataformas y mecanismos para la gestión de la granja, los cuales permiten controlar las variables ambientales de los galpones, emitir alarmas, realizar consultas, generación de gráficos de las dinámicas censadas, entre otras funciones. Se utiliza generalmente tecnología inalámbrica basada en estándar ZigBee para la transmisión y recepción de los datos, desde y hacia el servidor, el cual generalmente está conectado a la nube permitiendo interconectar otros dispositivos como celulares, laptop entre otros equipos, y así poder acceder a los datos desde zonas apartadas a la granja, ajustar valores de referencia si es necesario, sin embargo estos trabajos asumen que la granja posee acceso a la red, lo cual, es un limitante en zonas aisladas donde no se cuenta con este recurso, además de que la tecnología que se utiliza no es de fácil acceso [10]. Por otro lado a pesar de la abundante información aún no está claro como involucrar la escalabilidad del sistema en el diseño del equipo [11-15].

En este documento se propone un sistema de instrumentación y medida inalámbrico para monitorear temperatura y consumo de recurso hídrico en una granja porcícola, con el propósito de brindar una solución simple y sencilla desde el diseño, por medio de tecnología de fácil acceso, que utiliza en la etapa de hardware un microcontrolador PIC16F886 y módulos inalámbricos XBee. En la etapa de software se propone una estrategia que permite que el prototipo sea escalable en el tiempo. El funcionamiento del prototipo se valida en las instalaciones de la granja San Miguel en el municipio de Marsella Risaralda. Los resultados obtenidos muestran que el equipo permite monitorear las variables de interés y realizar algunos análisis preliminares en función de la información recopilada los cuales pueden ser útiles para el porcicultor.

Este documento está organizado como sigue, en la parte 2 se describe la metodología y el procedimiento diseño de cada una de las etapas metodológicas, así como los esquemas de circuito utilizados y la estrategia de validación. En la sección 3 se enseña los resultados obtenidos a partir del procesamiento de las lecturas obtenidas. Por último, se presentan las conclusiones de la experiencia.

II. METODOLOGÍA

La metodología consiste en diseñar e implementar cada una de las etapas del diagrama de bloques que se enseña en la figura 1 [11,16]. Los nuevos aportes de este trabajo se concentran en las etapas de software que gobierna el equipo. El primero, la construcción de un algoritmo que permita disminuir el consumo energético de la etapa de procesamiento en estado estacionario. En segundo lugar el desarrollo metodológico involucra una estrategia de hardaware y software con el propósito de ir vinculando nuevos instrumentos de medida a la plataforma, estás características son importantes debido a que la red debe ser eficiente y escalable sin pérdida de generalidad.

A. Etapa de sensado

Esta etapa consiste en medir las señales [u1(t) …… un(t)], para medir temperatura se hizo uso de un LM35. La selección de este medidor (LM35) se debe básicamente a su fácil acceso, universal, presenta una respuesta lineal de 10mV/°C [17]. El sensor utilizado para medir el consumo de recurso hídrico en la presente aplicación fue el medidor de caudal MTK – AM, lo anterior se debe a que este elemento posee un emisor de pulsos tipo REED el cual se activa sin necesidad de una fuente energía externa cada vez que mide 10 litros de agua. Algunas características de interés de este equipo son, fácil instalación, es un equipo hermético y es instrumento de fácil acceso [18].

B. Etapa de procesamiento

Esta se conforma por microcontrolador PIC16F886, la selección de este puede ser arbitraria, aunque se sugiere que el elemento de control posee las siguientes características mínimas a nivel de hardware.

• Conversión análogo a digital (A/D) mayor o igual a 10 bits.

  Poseer un módulo mejorado Transmisor-Receptor Asíncrono Universal EUSART.

  Poseer una función de interrupción externa por flanco activo en terminales de la máquina.

El diagrama de circuito que vincula la etapa de medición y procesamiento de la temperatura de enseña en la figura 2 (lado izquierdo). Por otro lado, el diagrama de circuito del medidor de caudal se enseña en la figura 2 (lado derecho), es de notar que la función de esta etapa consiste en digitalizar las lecturas suministradas por el instrumento de medición. Por otro lado, es de aclarar que no se vincula una etapa de acondicionamiento de señal para el LM35 debido a que con el modulo A/D del microcontrolador se puede medir valores de temperatura cercanos a 0.5°C, lo cual es suficiente para monitorear temperatura ambiente [19]

C. Modulo transmisión.

Se propone utilizar la red inalámbrica denominada en la literatura como red punto a multipunto [20, 21]. Básicamente está compuesta de un dispositivo coordinador (servidor de la red) y varios Router. La comunicación en este caso es uno con todos, es decir, la información transmitida por el coordinador puede ser recibida por cada uno de los Router de la red, y la información trasmitida por este converge únicamente al coordinador de la red.

El módulo XBee PRO S2, la cual opera bajo el estándar ZigBee, fue seleccionada para actuar como dispositivo coordinador y Router. La selección de esta tecnología se debe a características técnicas y comerciales. Algunas características técnicas de interés se enuncian a continuación [21].

• Alcance en ambientes abiertos desde 100m hasta 1500m.

  Puerto de comunicación serial asíncrono USART.

  Compatibilidad con la trama API

  ·Posibilidad de vincular hasta 65535 antenas al mismo coordinador

El diagrama de circuito para el equipo XBee coordinador se enseña en la figura 3 (lado derecho). Básicamente se conforma de un XBee Pro 2 y un módulo adaptador, el cual permite transferir información desde y hacia la XBee por medio de un conector USB [22].

Por otro lado, el circuito para los Router se enseña en la figura 4 (lado izquierdo), donde se hace uso de los terminales de la puerta seria asíncrona con el objetivo de entablar una comunicación bidireccional entre la antena y el microcontrolador.

La comunicación entre el coordinador y los Routers de la red se realiza por medio de la trama API, la cual, es un estándar de comunicación propio que permite potencializar las funcionalidades de los equipos XBee marca Digi por medio de las direcciones MAC de cada una de las antenas, este únicamente está disponible para los equipos XBee Pro S2 [21]. En esta aplicación el coordinador opera en modo API y cada uno de los Router en comandos AT, debido a que estos no intercambian información entre sí. El formato de la trama API puede ser consultado en [20], particularmente se hace uso del comando solicitud de transmisión ZigBee [23] para el establecimiento de comunicación con cada uno de los Routers.

La utilización de la trama API es importante para llevar un registro organizado de las lecturas, teniendo en cuenta que se conoce con anticipación y luego de esta, el Router que transmite información. Por último, se tiene el software encargado de programar y configurar los módulos XBee en aras de construir la red punto a multipunto en modo API. Para ello se hace uso del aplicativo X-CTU, el cual, es una herramienta computacional de libre acceso ofrecida por Digi International [24].

D. Algoritmos de control de hardware

Básicamente para los controladores a nivel de hardware se divide así. En primer lugar, se tiene el algoritmo asociado a la etapa de lectura de temperatura y en segundo lugar el vinculado al medidor de caudal. Estos fueron desarrollados en PIC C una adaptación de lenguaje C a los microcontroladores PIC [19]. En el caso del medidor de temperatura, la lógica de programa se enseña en la figura 4. El lector puede consultar a [19] para conocer la forma en que opera. Nótese, como se vincula una interrupción por recepción de dato en la EUSART por medio de señalizador del controlador WUE [25]. El objeto de esta consiste en inhabilitar el modo de bajo consumo energético del microcontrolador en el momento en que el coordinador envié la orden de transmisión de información. Lo anterior es una tarea imprescindible para aumentar el desempeño y la eficiencia de los equipos de medición, debido a que la operación del equipo no es continua. Similarmente para el medidor de caudal se utiliza el algoritmo enseñado en la figura 5. El modelo matemático que relaciona el consumo de recurso hídrico por intervalo viene dado por la ecuación 1.

donde , es el caudal (en litros) y el parámetro es el número pulsos que envía el instrumento en el intervalo de medida.

El intervalo corresponde al tiempo que demora el coordinador de la red en solicitar al Router la información de caudal, esta medida es acumulativa, sin embargo, el controlador debe estar en la capacidad de salir de modo hibernación cuando el medidor de caudal detecta 10litros de agua, para ello se implementa una interrupción externa por flanco activo en el terminal RB0 [25].

E. Computador, bases de datos y consulta de datos

Básicamente este se divide en la construcción de dos softwares. En primer lugar el programa encargado de almacenar la información enviada por los equipos de medición y en segundo lugar el que permite la iteración entre el porcicultor y el sistema de medición. El diagrama de casos de usos se enseña en la figura 6.

Una granja para la cría de cerdos se diseña por módulos (galpones) secciones (divisiones del galpón) donde en cada sección generalmente se encuentran animales con pesos y edades similares, este proceso no es estático, por lo que el propósito es ir rotando el animal a medida que aumenta su peso por las demás secciones del módulo, de esta forma la granja clasifica los cerdos por edad y peso. Con estos atributos se puede definir una base de datos precisando unentidad módulos, esta a su vez contiene las secciones, las cuales tienes asociados los instrumentos de medición, así se realiza un almacenamiento de las lecturas en función de la edad del animal.

En la figura 7, se enseña el procedimiento que almacena la información por los equipos de medida. Es de notar como el flujo de programa articula la base de datos con el propósito de determinar con que dispositivos se debe comunicar el servidor del sistema en cierto instante de tiempo, determinando la MAC del Router específico (la cual es almacenada y consultada desde la base de datos) para luego construir la trama API e iniciar el proceso de comunicación. De esta manera se descartan actualizaciones de software para la introducción de nuevos instrumentos de medición [26,27] debido a que la plataforma permite introducir las direcciones seriales de fábrica de las nuevas antenas (en teoría 65535) que se vinculan paulatinamente al proceso.

Finalmente se tiene el software con que interactúa el porcicultor, este permite realizar consultas especificando la fecha, el módulo y la sección de la granja, con estos, el algoritmo extrae la información de todos los sensores ubicados en este lugar, luego esta es organizada y entregada en una hoja de cálculo donde se discrimina el tipo de medida (caudal o temperatura), el nombre del equipo y la hora en que fue tomada la lectura.

Finalmente se tiene el software con que interactúa el porcícultor, este permite realizar consultas especificando la fecha, el módulo y la sección de la granja, con estos, el algoritmo extrae la información de todos los sensores ubicados en este lugar, luego esta es organizada para ser entregada en una hoja de cálculo donde se discrimina el tipo de medida (caudal o temperatura), el nombre del equipo y la hora en que fue tomada la lectura. Es de aclarar que estos algoritmos fueron desarrollados en entorno de programación Python, en el desarrollo de los algoritmos se utilizó la librería presentada en [28].

F. Métricas de evaluación.

Para que el sistema pueda operar en un ambiente real los instrumentos deben ser someterse a calibración. Particularmente para el instrumento que mide temperatura se utiliza la preparación hielo seco comúnmente utilizada para aplicaciones de baja dinámica. Esta preparación consta de hielo común, mezclado con sal de cocina, ubicada alrededor de las paredes de un recipiente, de tal forma que quede un orificio o cavidad en el centro. Con este sistema es posible lograr temperaturas cercanas a los 0ºC [29]. El equipo patrón seleccionado durante la etapa de calibración corresponde a Fluke 289 true RMS [30]. Posteriormente se emplea una termo resistencia con el fin de variar lentamente la temperatura de la preparación de hielo seco hasta temperatura cercanas a 55ºC. No es de interés temperaturas mayores debido a que es poco probable que temperaturas ambientes supuren este valor.

Para el instrumento que mide caudal se procede adicionar una bocina en el terminal RB0 del microcontrolador PIC16F886 (ver figura 3). Una vez el medidor de caudal detecta 10 litros, el contacto tipo REED debe cerrarse aproximadamente por un segundo [21], tiempo por el cual la bocina también debe encenderse. El propósito es obtener una relación lineal con pendiente unitaria entre el número de encendidos de la bocina contra el número de flancos negativos detectados por el sistema propuesto (ver ecuación 1).

Para validar el funcionamiento de los instrumentos se realizará pruebas de alcance, cantidad de pérdida de paquetes de datos, demanda energética en modo estable y en modo hibernación. Para cuantificar la pérdida de paquetes de datos, se diseñó un experimento que consiste en trasmitir una cantidad de lecturas sintéticas, con el objetivo de evaluar el número de datos registrados por el servidor, en este caso se utilizó el software X-CTU [24] para determinar la cantidad paquetes que arribaban a la plataforma, luego se repite el experimento aumentando la distancia lineal entre el Router y el Coordinador. En el lugar de servidor se pretende realizar diferentes pruebas para verificar el desempeño de esta, en primer lugar se realiza un text que consiste en ir agregando nuevos equipos al sistema y observar si el programa de almacenamiento y del consulta vinculaba los nuevos equipos agregados, por otro lado, se almacenan datos sintéticos para todos los equipos vinculados a la base de datos para luego verificar el funcionamiento de la interfaz de usuario.

Finalmente, se hace un análisis de la función de correlación cruzada entre las señales de temperatura y la señal de caudal , donde cada una de las muestras está separada entre sí una cantidad , correspondiente al período de muestreo. Este análisis se realiza para aquellos días para los cuales las mediciones se obtuvieron de forma secuencial. La función de correlación cruzada para señales de tiempo discreto [31] se define mediante la ecuación 2.

donde es el tamaño de las señales. La función es una función par con respecto a . En este contexto, también se conoce como el desfase entre las señales y .

III. RESULTADOS

El error efectivo RMS [32] entre el sistema de patrón y el sistema de temperatura fue de 5.45%. Para el caso de medidor de caudal se obtuvo una relación lineal con pendiente unitaria entre el número de encendidos de la bocina contra el número de flancos negativos detectados por el instrumento.

Por otro lado, se determinó el alcance del sistema (en términos de longitud) en un ambiente semiurbano, la distancia aproximada lograda fue de 235m, el consumo energético de los módulos de medida en modo hibernación fue de 48mA mientras que en modo estable fue de 70mA lo cual muestra las bondades de los algoritmos de las figuras 4 y 5.

Para distancia entre 0 y 190m se obtuvo una pérdida de paquetes de datos en promedio del 8% mientras que para distancias cercanas a los 235m la pérdida fue del 88%, lo anterior sugiere que para aumentar la confiabilidad de la plataforma es necesario que el servidor de la red envié varias solicitudes al instrumento de medición, con el propósito de disminuir la probabilidad de que se produzca fallo en la comunicación [33].

El análisis de correlación entre datos de temperatura y de caudal recolectados durante un lapso de 20 días. En parte superior de la figura 8, se muestran los datos recolectados durante uno de estos 20 días para la variable temperatura y caudal, la temperatura se mide en grados centígrados, el caudal en litros por cada 10 minutos, la hora usa la nomenclatura AM, PM. Los tiempos que aparecen en la figura 8, se refieren a PM.

Un análisis exploratorio de los datos muestra que durante los días que se tomaron las muestras para el análisis, las temperaturas máximas oscilaron entre los valores de 24 a 38 grados, entre las horas de 12:30 PM a 5:30 PM. Así mismo, los mayores caudales de agua consumidos durante estos días varían en el rango de 90 litros a 400 litros por cada 10 minutos, entre un rango de horas similares a los valores máximos de temperatura.

Un análisis de correlación lineal muestra que la correlación tiene en promedio un valor de 0.69 durante los 20 días. El valor positivo de la correlación indica que a medida que una de las variables aumenta su valor, la otra variable también lo hace. Intuitivamente, se espera entonces una relación de causalidad en la que un aumento de la temperatura genera un aumento del consumo de agua por parte de los cerdos.

Usando un test estadístico basado en la distribución t-Student también se verifica que los valores de correlación son significativos con un valor p=0.05. Es decir, se verifica que la correlación es significativamente diferente de cero para los valores obtenidos [31]. La Figura 9, muestra un diagrama de dispersión de las variables temperatura y caudal para dos días diferentes. El coeficiente de correlación lineal para el ejemplo que se enseña en la parte superior de la imagen es igual a 0.86. Para el segundo día (parte inferior del gráfico) el coeficiente de correlación lineal es igual a 0.82 Se puede observar la correlación lineal positiva entre ambas variables.

Las Figura 10 enseña los histogramas del caudal y temperatura. En la tabla 1, se resume sus valores medios y su desviación estándar en función de diferentes intervalos de tiempo. Esta información es importante para el porcícultor puesto que le ayuda a establecer los niveles de caudal necesarios para mantener un determinado número de cerdos en la respectiva sección.

El análisis de datos anterior no pretende ser exhaustivo, sino que busca ilustrar cómo diferentes índices estadísticos pueden ser de utilidad para el porcicultor a la hora de monitorear el funcionamiento de la granja, y poder evaluar alternativas para mejorar la productividad de la misma.

IV. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se diseñó, construyó un sistema de instrumentación y medida inalámbrico simple, funcional, eficiente, portable, escalable, de fácil instalación que permite monitorear temperatura ambiente, consumo de recurso hídrico en las secciones de una granja, el diseño utiliza la metodología estándar establecida en la literatura, sin embargo la estrategia a nivel de hardware y software propuesta permite adicionar un recurso adicional que permite el crecimiento de la plataforma sin la necesidad de desarrollo de software adicional.

A nivel de hardware se vincula una estrategia que permite disminuir el consumo energético de los nodos de sensores por medio del concepto de interrupciones, en la etapa del servidor se articula la base de datos para gestionar el almacenamiento/consulta de información y la vinculación de nuevos equipos al sistema, permitiendo construir un equipo adaptativo y escalable, lo anterior es sumamente importante debido a que no siempre es posible modificar la estructura de la granja, además resulta de interés para el porcicultor que el sistema de monitoreo pueda crecer en función del tiempo sin la necesidad de modificar el software de control de programa.

De manera exploratoria el procesamiento de las lecturas reveló una correlación entre las variables monitoreadas en la presente experiencia, de esta forma el porcícultor podría implementar estrategias en los horarios en que la temperatura presenta sus valores más elevados, con el fin de disminuir el consumo de recurso hídrico por parte de los cerdos, lo anterior toma relevancia al pretender disminuir el impacto ambiental que pueda generar la actividad al explotar este recurso natural.

Como limitantes el sistema propuesto es vulnerable a los cortes de energía, debido a que el servidor de la plataforma siempre debe estar disponible, aunque se cuenta con equipo generador de emergencia su operación depende en gran medida en la forma en que opera la granja, lo cual juega en contra de sistema desarrollado. Por otro lado, como trabajo futuro resulta de interés vincular otras variables para ser medidas y almacenadas, toma importancia monitorear humedad relativa del medio, consumo de alimento por parte de los animales como el caudal por vertimientos. Las dos primeras variables podrían asociarse a la productividad de la granja debido a que una alta humedad relativa puede causar muerte en los cerdos, en segundo lugar, el consumo de alimento se asocia con el peso ganado por el animal, la tercera variable se relaciona al impacto ambiental que realiza la actividad porcícola, cuantificar esta variable toma importancia en el caso de introducir la producción de carne en mercados internacionales.

V. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue desarrollado en el grupo de investigación de Automática de Universidad Tecnológica de Pereira y financiado por la empresa Agrocerdos S.A y el programa de Jóvenes investigadores e innovadores “Virginia Gutiérrez de Pineda” de Colciencias año 2012.

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