Visi on Electr onica M as que un estado s olidosensores biomedicos, una unidad de computaci on (BeagleBone Black) bajo software libre Linux, Apace Server, Mysql y PHP, el sistema desarrollado

Vision Electronica Vol. 12 No. 1 (2018) • Enero-Junio • p.p. 43-50 • ISSN 1909-9746 • ISSN-E 2248-4728 • Bogota (Colombia)

Vision ElectronicaMas que un estado solido

https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/visele

VISION ELECTRONICA

VISION INVESTIGADORA

Diseno prototipo de una red de sensores inalambricos

Prototype Design of a Network Wireless Sensors

Andres Felipe Calvo Salcedo.1, Arley Bejarano Martınez.2, Andres Castillo Gonzalez.3

informacion del artıculo resumen

Historia del artıculo:

Enviado: 13/09/2017

Recibido: 23/11/2017

Aceptado: 22/01/2018

Palabras clave:

Beaglebone Black

Camaras

Red de sensores inalambricos

Sensores.

La red de sensores inalambricos es una tecnologıa innovadora que ha tenido

grandes impactos en el campo de la ingenierıa, en los ultimos anos ha permitido

desarrollos tecnologicos enfocados a la agricultura de precision. En este artıculo

se describe la investigacion que condujo al diseno de una red de multisensores

inalambricos de bajo costo para el registro y monitoreo de las variables sobre el

estado de un cultivo, utilizando tarjetas de desarrollo Beaglebone Black, donde

se han integrado sensores de temperatura, humedad relativa, humedad de suelo

y camaras digitales. La informacion adquirida se transmite —con el protocolo de

comunicacion inalambrica Wireless Local Area Network (WLAN)— a un servidor

central, permitiendo obtenerse un registro y control en una base de datos creada

en Mysql con sistema operativo Linux. Los resultados de este trabajo permiten

observar la confiabilidad y el consumo energetico del equipo.

abstract

Keywords:

Beaglebone Black

Cameras

Wireless sensor network

Sensors.

The wireless sensor network is an innovative technology that has had great impacts

in the field of engineering and in recent years has allowed technological developments

focused on precision agriculture. This paper presents the results research lead

to design a network of low cost wireless multisensors for the recording and

monitoring of the state variables of a crop using Beaglebone Black development

cards integrating with sensors of temperature, relative humidity, soil moisture and

cameras Digital images. The acquired information is transmitted with wireless

local area network (WLAN) communication protocol to a central server allowing

to obtain a registry and control in a database, created in MYSQL with Linux

base operating system. The results of this work show the reliability and energy

consumption of the equipment.

1Ingeniero electronico; magıster en Ingenierıa Electrica, Universidad Tecnologica de Pereira. Grupo de Investigacion de Ingenierıa Electronica.Correo electronico: [email protected]

2Ingeniero electronico, Universidad Tecnologica de Pereira. Candidato a magıster en Ingenierıa Electrica, Universidad Tecnologica de Pereira.Grupo de Investigacion de Ingenierıa Electronica. Correo electronico: [email protected]

3Ingeniero electronico, Universidad Tecnologica de Pereira. Grupo de Investigacion de Ingenierıa Electronica. Correo electronico:[email protected]

Citar este artıculo como: A. F. Calvo, A. Bejarano y A. Castillo. “ Diseno prototipo de una red de sensores inalambricos” . VisionElectronica, algo mas que un estado solido, Vol. 12, No. 1, 43-50, enero-junio 2018. https://doi.org/10.14483/22484728.13405

44 A. F. Calvo, A. Bejarano y A. Castillo

1. Introduccion

La agricultura es una de las actividades masimportantes para el desarrollo economico y social delpaıs, debido a que se cuenta con multiples ecosistemasque ofrecen diversas oportunidades de mercado, ademasde contar con tratados de libre comercio que impulsan elmercado agrıcola. Aunque estas oportunidades suponenser una ventaja para el desarrollo del agro colombiano,el alto costo tecnologico y poca capacitacion de losagricultores impide una competencia con estandares decalidad internacional [1–5].

En la actualidad, se han desarrollado areas de laingenierıa como la agricultura de precision, la cual tienecomo filosofıa el manejo optimo de los cultivos utilizandodiferentes tipos de tecnologıa, entre ellas las redes desensores inalambricas (WSN, por su siglas en ingles) [6,7].Una red consiste en la implementacion de dispositivosdistribuidos (nodos), espaciados y autonomos queposibilitan la adquisicion de diferentes variables fısicascomo la temperatura, la humedad, imagenes digitales,entre otras [8–13]. La informacion de las senales medidasse transmite a un servidor central con el fin de realizar unregistro, monitoreo o control sobre las variables de estadode un sistema [14–16]. Aunque, estas redes facilitanel desarrollo en diferentes aplicaciones, la conexion demultiples sensores genera un alto consumo energeticopor su procesamiento. La actual proliferacion de tecnicasde vision por computador, ha permitido incluir enaplicaciones de agricultura las camaras digitales comoelemento sensor, esto ha generado la facilidad de incluiractividades de inspeccion visual de forma automatica;ejemplos de lo anterior son el calculo del estres hıdrico,la deteccion de severidad enfermedades en frutos, lavisualizacion de zonas verdes, el estado de maduracionde frutos, entre otras [2–5]. Aunque las camaras facilitaneste tipo de actividades, la inclusion de tales sensores encultivos representa un reto, debido a que la estructurade datos de una imagen es compleja y se requiere deun importante costo computacional, lo que limita eluso de dispositivos de procesamiento de bajo costocomo Arduino u otros tipos microcontroladores. Sinembargo, en la actual proliferacion de dispositivos deprocesamiento, se han creado nuevas tecnologıas comolos computadores embebidos (Raspberry Pi y BeagleboneBlack) que permiten la interconexion de camaras y otrossensores permitiendo el desarrollo de nuevos sistemas deadquisicion de datos.

En este trabajo de investigacion se presenta el disenode un sistema de adquisicion de datos multisensor(sensor de temperatura, humedad relativa, humedad de

suelo y camara USB) con tecnologıa de comunicacioninalambrica WLAN, utilizando el sistema embebidoBeaglebone Black. La informacion adquirida es guardadaen un servidor central permitiendo obtener el registro ycontrol del estado del cultivo para el agricultor.

Las WSN han demostrado ser una herramientautil para multiples aplicaciones de ingenierıa, parasu diseno se han utilizado diferentes dispositivos ysensores dependiendo de la aplicacion en la que serequieren. Dentro de los diferentes trabajos que sehan desarrollado usando redes multisensor se cuentan,entre otros, los mencionados a continuacion. En laUniversidad Nacional de Colombia —2014— se realizo eldiseno e implementacion de una WSN usando protocolo6LoWPAN (adaptacion entre el IPv6 y IEEE 802.15.4)y el protocolo de enrutamiento RPL (siglas del inglesRouting Protocol for Low-Power and Lossy Networks),obteniendose un sistema de monitorio generico capazde adaptar diferentes tipos de sensores y la capacidadde interconectar una cantidad de nodos. Este sistemafue empleado en un cultivo urbano con sensores deluminosidad, temperatura y humedad [9].

Por otra parte, en la Universidad Politecnica deCartagena en Espana —a mediados de 2010— sepropuso una arquitectura general de WNS para elmonitoreo de cultivos hortıcolas, implementado pormedio del protocolo de acceso al medio B-MAC (siglasdel ingles Berkeley Medium Access Control) donde seaseguro un alto grado de autonomıa del nodo; ademas,utilizaron varios sensores especializados (Soil-Mote,Environmental-Mote y Water-Mote). Al final, estesistema se implemento en un cultivo real para verificar yvalidar los resultados obtenidos [10].

Igualmente, en Chennai, India, en el 2014, serealizo una WSN que permitio automatizar un sistemade riego en un cultivo, optimizando el uso del agua;tal sistema contiene sensores de humedad de sueloy temperatura colocados en el campo del cultivo,controlados por un microcontrolador y comunicandosepor el protocolo Zig Bee, ademas, se diseno un algoritmoque permite controlar la cantidad de agua. El sistemautiliza un panel solar como alimentacion, una interfazcellular-internet para la inspeccion de los datos yuna camara inalambrica que se fija en el campo paracontrolar el area de enfermedades mediante tecnicasde procesamiento de imagenes. El sistema obtenidoes de bajo costo y de energıa autonoma para areasgeograficamente aisladas y limitadas [11].

En la Universidad Nirma, en Ahmedabd, India,hacia 2015, se realizo la implementacion de un sistema

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas - Facultad tecnologica

Diseno prototipo de una red de sensores inalambricos 45

de telemedicina a bajo costo, integrando la deteccion,almacenamiento y difusion de diversos parametrosbiomedicos de los pacientes de un hospital, utilizandosensores biomedicos, una unidad de computacion(BeagleBone Black) bajo software libre Linux, ApaceServer, Mysql y PHP, el sistema desarrollado satisfizo elobjetivo de mejorar la atencion a los pacientes [12].

Finalmente, en Colombia en la Universidad del Cauca—2013—, se realizo el diseno de una WSN para laagricultura de precision en cultivos de cafe, aplicandoel estandar IEEE 802.15.4. Tal arquitectura consistio entres nodos que utilizan sensores para temperatura yhumedad del suelo, temperatura de las hojas, radiacionsolar y flujo fotosintetico usando un radio XBee 802.15.4;el nodo coordinador posee una estacion climatologicay un modem GSM (siglas del ingles Global System forMobile Communications) que se encarga de enviar lainformacion a un servidor central. El diseno presento unbuen desempeno al trasmitir satisfactoriamente los datosal servidor localizado en la ciudad de Popayan, Colombia[17].

El documento se estructura de la siguiente manera:inicialmente se establece el desarrollo de la propuestadescribiendo los materiales y metodos usados en elsistema de adquisicion de datos para medir variablesfısicas del cultivo como temperatura, humedades eimagenes del cultivo, una red de sensores con topologıatipo estrella para la transmision de la informacion yel almacenamiento en un servidor central; luego sedescriben los resultados arrojados de las pruebas delprototipo la funcionabilidad del equipo y la recepcionde la informacion de los nodos; despues se realizaronpruebas de confiabilidad para distancia, consumoenergetico y durabilidad del sistema; finalmente, seestablecen las conclusiones.

2. Materiales y metodos

La metodologıa implementada para el desarrollo deltrabajo propuesto se describe en el diagrama de bloquesde la Figura 1, donde se observa una metodologıamodular para la construccion del sistema. Las etapasse conforman por sistema de adquisicion de datos quetienen como objetivo medir variables fısicas del cultivocomo temperatura, humedades e imagenes del cultivo,una red de sensores con topologıa tipo estrella para latransmision de la informacion y el almacenamiento enun servidor central.

2.1. Sistema de adquisicion de datos

Para el diseno del sistema de adquisicion se utilizarondiferentes dispositivos que permiten obtener la medicion

de las variables de temperatura, humedad relativa,humedad de suelo y una imagen, donde estan conectadasa un sistema de computo alimentado por un cargadorsolar.

Figura 1: Diagrama de bloques de las etapasconformadas por nodo 1 de la WSN y la topologıautilizada para la conexion entre los otros.

Fuente: elaboracion propia.

2.1.1. Etapa del sistema de sensores

• DHT22

Inicialmente se realizo un algoritmo que permitio elfuncionamiento del sensor DHT22, de temperatura yhumedad relativa, en la Beaglebone Black por medio unpuerto de entrada/salida de proposito general (GPIO,por sus siglas en ingles), debido a que no se requieredisenar un acordonamiento porque este sensor adquierey codifica la informacion de la temperatura y humedadrelativa en una senal TTL de un solo bus.

• SEN0114

Para el sensor de humedad de suelo SEN0114, se diseno elacondicionamiento con un amplificador operacionalalimentada desde Beaglebone Black y en configuracioncomo seguidor de tension para acoplar la impedanciadel sensor (Figura 2). La salida del amplificador estaconecta a un divisor de tension (1), permitiendo que lamaxima tension del sensor este en el rango de 0 a 1.6 V;por ultimo, la salida del divisor se conecta al convertidoranalogo-digital (ADC, por sus siglas en ingles) de unpin de la Beaglebone Black. Con el diseno completado,se realizo el montaje de este circuito (Figura 3) en unaplaca de circuito impreso (PCB, por sus siglas en ingles)de doble capa. Luego, para adquirir la informacion deeste sensor, se realizo un codigo para el funcionamiento



del ADC de la Beaglebone Black.

Vout =R3 + R4 + R5

R1 + R2 + R3 + R4 + R5∗ Vin (1)

Figura 2: Circuito de acondicionamiento para el sensorSEN0114.


Figura 3: Circuito de acondicionamiento para el sensorSEN0114 montado en PCB con conectores para laBeaglebone Black y el sensor DHT22.


• LifeCam HD-3000

Para la camara LifeCam HD-3000 USB se uso la librerıaHighgui de Opencv, donde su codigo abierto permiteel diseno de aplicaciones enfocadas en la vision porcomputador y aprendizaje maquina en cualquier tipode sistema operativo para procesadores ARM (siglas delingles Advanced RISC Machine) [18] como la BeagleboneBlack, permitiendo adquirir la imagen y guardarla en unformato para luego ser transmitida a la base de datos.

2.1.2. Etapa del sistema de alimentacion

Para la alimentacion se utilizo un cargador de panelsolar con salidas de USB. Cada panel alimentara unBeaglebone Black por medio de un cable USB conun conector jack y un nucleo de ferrita (materialmagnetico), permitiendo filtrar corrientes de altafrecuencia producidos por ruidos electricos externos ymanteniendo la eficiencia de este cable sea la maximaposible; de esta forma, el sistema no dependera de unafuente local como tomas de energıa.

2.1.3. Sistema de computo

La BeagleBone Black es un sistema embebido debajo costo, consumo energetico entre 200 a 500 mAy tiene filosofıa de open source software y hardwarepara realizar multiples aplicaciones en la ingenierıa.Este sistema contiene multiples perifericos como puertosGPIO, ADC, PWM (siglas del ingles Pulse-WidthModulation), conexion de diferentes dispositivos pormedio de USB, entre otras; ademas, tiene la caracterısticade procesar informacion a altas velocidades y contieneun sistema operativo base Linux, por defecto Debian7.5. Debido a las caracterısticas de este sistema, seselecciono para realizar el diseno del prototipo de laWSN, ya que permite conectar multiples sensores ydiferentes dispositivos, como camaras USB, permitiendouna alta velocidad de procesamiento y transmision de lainformacion por medio de WLAN.

Cada nodo contiene una Beaglebone Black con laslibrerıas necesarias que permite realizar la adquisicionde la informacion de los sensores mediante un algoritmo(Figura 4). Cuando la Beaglebone Black inicia, esteprepara los dispositivos que esten conectados por susperifericos y por el puerto USB; luego de terminarsu configuracion, se inicia el proceso en espera de larecepcion del comando que es transmitido por el servidorcentral. Cuando es exitosa la recepcion, este empiezaa ejecutar un algoritmo realizado en leguaje C++ querealiza la adquisicion de las variables asignadas por mediode los sensores: la temperatura, la humedad relativa,la humedad de suelo y la imagen por medio de lacamara. Teniendo la informacion en su memoria, estetrasmitira estos datos a la base de datos. Por ultimo,el limpia la memora en forma automatica para despuesrealizar otra adquisicion cuando reciba la ejecucion.

2.2. Red de sensores topologıa tipo estrella

Para la comunicacion entre los nodos y la basede datos, se utilizaron adaptadores Wifi que permitenla comunicacion inalambrica WLAN con el router y



cada uno de los nodos con una topologıa tipo estrella,permitiendo el registro y monitoreo del cultivo. Cadauno de los nodos comprueba la conectividad entre eladaptador-router y ası realiza la transmision.

Figura 4: Diagrama de flujo del funcionamiento de unnodo de la WSN con la Beaglebone Black.


En la Figura 5, se muestra el diagrama de flujodel funcionamiento del servidor central con los nodos.Cuando este inicia, la base datos esta preparada pararecibir la informacion de la red, luego se tiene untiempo de espera dependiendo del tiempo de muestreode cada nodo. El servidor central transmite un comandode ejecucion permitiendo activar la adquisicion dela informacion de los nodos; por ultimo, recibe lainformacion y la guarda en la base de datos para luegorealizar el mismo procedimiento anteriormente descrito.

2.3. Etapa del sistema de almacenamiento de lainformacion

La base de datos se creo por medio del softwareMysql, usando el phpMyAdmin.php, que es un sistema deadministracion de datos CRUD (siglas del ingles Create,Read, Update, Delete). Cada tabla contiene un nombre“Beagle #N”, donde #N es el numero de identificadode la Beaglebone Black; tambien cada una contienediferentes campos que almacenan la informacion delcultivo con la siguiente estructura: numero de captura,fecha y hora, la temperatura, la humedad relativa, lahumedad de suelo y la imagen (Figura 6).

Figura 5: Diagrama de flujo del funcionamiento delservidor central con la WSN.


Figura 6: Estructura de las tablas de la base de datos.


3. Resultados

Para comprobar el funcionamiento del prototipoWSN que se diseno, se realizaron diferentes pruebascontroladas en el laboratorio y en cultivo. Inicialmente seobservo la funcionabilidad del equipo y la recepcion de lainformacion de los nodos, despues se realizaron pruebasde confiabilidad para distancia, consumo energetico yla durabilidad del sistema, obteniendo los resultadosmencionados a continuacion.



Se obtuvo la funcionalidad del diseno de un WSN conla BeagleBone Black y multiples sensores, especialmentecon camaras. Este prototipo de red tiene cinco nodosdonde se observo la transmision exitosa de los datos,realizando pruebas en un cultivo adquiriendo lassiguientes variables: numero de capturas, la fecha y horade las capturas, los valores de la temperatura, de lahumedad relativa, de la humedad de suelo y la imagen enun formato JPG. En la Figura 7, se muestra un ejemplode una tabla con la informacion del nodo cinco y unejemplo de la imagen de un cultivo.

Figura 7: Informacion e Imagen capturada por el nodo5 de la WSN.


Con este prototipo se realizaron pruebas deconfiabilidad para la distancia en diferentes areas, enla Tabla 1 se observan las distancias realizadas enla universidad, un campo abierto y un cultivo. Seencontro que la WSN trasmite correctamente los datos auna distancia menor de veinte metros en la universidad,debido a que existen multiples interferencias en el mediodonde se realizo la prueba. Para el campo abierto,la distancia maxima correcta para transmision de losdatos fue de 50 metros sin tener ningun tipo deinterferencias. Por ultimo, se realizaron pruebas en uncultivo y se observo que la distancia maxima fue de 32

metros en un terreno semiplano, debido a que entre losnodos y el router habıa varias plantas que interferıa lacomunicacion.

Tabla 1: Pruebas de distancia del WSN.

Distancia (m)

Universidad 20

Campo abierto 50

Campo de cultivo 32


Durante las pruebas realizadas en el laboratoriose encontro que el consumo energetico de cada nodopresentaba un reinicio en el sistema operativo, o seapagaban sin que el cargador del panel solar estuvieradescargado; para solucionar este problema, se efectuo unaadquisicion de datos de la corriente y tension a la quese suministra las Beaglebone Black, y se utilizaron dostipos de elementos para la conexion de la alimentacion:un cable USB que conecta el cargador de panel solar conla Beaglebone Black sin nucleo de ferrita y otro cableUSB con nucleo de ferrita. Se obtuvieron los resultadospresentados en la Figura 8 y la Figura 9.

Figura 8: Senal de la corriente y tension de un nodo conel cable USB conectado al cargador de panel solar sinnucleo de ferrita.


La Figura 8 muestra las senales de corriente ytension que suministra el cargador de panel solar concable sin el nucleo de ferrita durante un periodo corto.Se observo que el comportamiento de estas senales noes estable y presentan inconvenientes al suministrar



la energıa necesaria para la Beaglebone Black en laadquisicion de la informacion, causando que el nodo seapague y pierda la informacion, como se observa en eltiempo de 50 a 60 segundos. Pero en la Figura 9, quemuestra las senales de corriente y tension que suministrael cargador de panel solar con cable con nucleo deferrita, se encontro que el comportamiento es estable yevita que la Beaglebone Black se apague en un tiempoindeterminado, mejorado su consumo de energetico. Enla Tabla 2 se observa la durabilidad durante variosdıas de los nodos con los paneles solares que contienencables USB con nucleo de ferrita. Se obtuvo que ladurabilidad total del prototipo de WSN fue de 101.08± 6.09 minutos, debido a que los paneles solares quese utilizaron no almacenan suficiente carga que permitadurar mas tiempo.

Figura 9: Senal de la corriente y tension de un nodo conel cable USB conectado al cargador de panel solar connucleo de ferrita..


4. Conclusiones

Se presento el diseno de un prototipo de WSN de bajocosto en la agronomıa, utilizando modulos BeagleboneBlack, sensores, camaras y dispositivos inalambricos. Sehan podido observar las facilidades que presenta estesistema para realizar la adquisicion, el procesamiento dela informacion y la transmision de los datos; ademas,con la informacion obtenida en la base de datos, sepodra aplicar multiples metodos para la deteccion de

enfermedades o plagas con el fin de mejorar la calidaddel cultivo y la vida para el agricultor.

La utilizacion de cargadores solares permitio queeste sistema fuera autonomo y de facil implementacion,pero debe tenerse en consideracion las caracterısticaselectricas y la durabilidad de estos dispositivos. Alobservar los resultados obtenidos en las pruebas dellaboratorio en el consumo energetico del sistema,se encontro que los cables que presentan nucleo deferrita permiten mejorar el desempeno energetico eneste prototipo, ademas de realizar un filtrado de altasfrecuencias a la corriente que ingresa.

El diseno de un prototipo que se adecue a lasnecesidades del entorno garantiza una escalabilidad ala hora de integrar diferentes sensores, tambien cabedestacar que, aunque en el mercado se encuentrandiferentes dispositivos que cumplen con la labor dealmacenar informacion del medio, estos no cuentan concamaras, indispensables a la hora de determinar lasenfermedades en las plantas ya que en un alto porcentajese aprecian de manera visual.

Tabla 2: Prueba de durabilidad del cada nodo delsistema.

Duracion (min)

Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5

Dıa 1 105 101 93 103 102

Dıa 2 109 103 90 113 108

Dıa 3 100 98 90 107 99

Dıa 4 106 100 95 102 101

Dıa 5 104 95 92 109 102

Media 104.8 99.4 92 106.8 102.4

Desv. 2.92 2.72 1.89 4.01 3.01


5. Reconocimientos

Se agradece la Universidad Tecnologica de Pereira y ala Vicerrectorıa de Investigaciones por el financiamientode este proyecto, esta es una de las etapas del proyectoque se titula “Diseno e implementacion de un sistemaautomatico para la deteccion de enfermedades en cultivosde fruta” del grupo de investigacion de ingenierıaelectronica GIIE.

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