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IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES
INALÁMBRICA PARA LA MONITORIZACIÓN
DE EXPLOTACIONES VITIVINÍCOLAS
AUTOR: Bruno Rodríguez Ledesma
TUTOR: Dr. D. Francisco Javier del Pino Suárez
COTUTOR: Dr. D. Sunil Lalchand Khenchandani
TITULACION: Ingeniero Técnico de Telecomunicación
especialidad en Sistemas de Telecomunicación
FECHA: Julio 2013
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
INTRODUCCIÓN
¿POR QUÉ EL SECTOR VITIVINÍCOLA?
Conocimiento del sector
Detección de un problema
Búsqueda de solución tecnológica
Posibilidades de crecimiento y desarrollo
INTRODUCCIÓN
RED DE SENSORES INALÁMBRICA(WSN: Wireless Sensor Networks)
Motivos de elección:
Económicos
Portabilidad
Geográficos
INTRODUCCIÓN
OBJETIVO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
Características:
Limitación en la mecanización de las tareas vitícolas
La media de superficie por parcela es de 0,24 Ha
Bodegas de capital privado y carácter familiar
(Según D.O. Tacoronte-Acentejo)
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
(Según D.O. Tacoronte-Acentejo)
CAPACIDAD (L) Nº BODEGAS
Hasta 10.000 9
Entre 10.000 y 50.000 23
Entre 50.000 y 100.000 6
Más de 100.000 7
Características:
Todas son pequeñas y medianas bodegas
La actividad de la bodega constituye una segunda o tercera
actividad del propietario
Interés creciente en mejorar las acciones en las distintas fases
del proceso de producción vitivinícola
Bodegas según su capacidad de producción inscritas en la D.O. Tacoronte-Acentejo (2012)
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
El proceso de producción:
SALA DE ELABORACIÓN
BODEGA DE BARRICAS
BODEGA DE BOTELLAS
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
Instalación de una pequeña/mediana bodega:
SALA DE ELABORACIÓN BODEGA DE BARRICAS BODEGA DE BOTELLAS
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
Instalación de una pequeña/mediana bodega:
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
Parámetros que intervienen en la producción:
Temperatura
Humedad
Cantidad de Luz
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
Mejoras tecnológicas para mejorar la producción:
Red de sensores inalámbrica para controlar los procesos
de elaboración y conservación del vino
Seguimiento de la información a través de una interfaz web
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
OMARCO TECNOLÓGICO
OMARCO TECNOLÓGICO
Kit de desarrollo SquidBee:
Gateway
3 nodos
Compuesto de:
Arduino UNO
Arduino XBee Digimesh
Sensores de temperatura,
humedad y luminosidad
“Open Mote”
OMARCO TECNOLÓGICO
Potencia (mW) / Velocidad (Kbps) 1mW 10mW 100mW
28 Kbps 23 m 54 m 154 m
250 Kbps 13 m 29 m 66 m
Distancias de trasmisión
Características de radio
Tecnología ZigBee:
OMARCO TECNOLÓGICO
Tecnología ZigBee:
Características principales:
Bajo consumo
Topología de red en mallas
Facilidad de integración
OMARCO TECNOLÓGICO
Tecnología ZigBee:
Aplicaciones de ZigBee
OMARCO TECNOLÓGICO
Tecnología Arduino+ZigBee:
Ventajas:
Simple sistema de red
Flexibilidad de ampliación
Fiabilidad
OMARCO TECNOLÓGICO
Propagación de la señal:
Para una buena comunicación:
Sensibilidad del receptor
Potencia de salida
Frecuencia de señal
Medio de propagación de la señal
¡¡QUIZÁS SE PUEDA OMITIR ESTA DIAPO!!
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
Microcontrolador ATmega328
Voltaje de funcionamiento 5V
Alimentación (recomendada) 7-12V
Voltaje máximo de entrada (no recomendado) 20V
Pines digitales I/O 14 (de los cuales 6 dan salida PWM)
Pines de entrada analógica 6
Corriente DC por I/O Pin 40mA
Corriente DC para el pin 3.3V 50mA
Memoria Flash 32Kb (ATmega328) 0.5Kb usados por
bootloader
SRAM 2Kb (ATmega328)
EEPROM 1Kb (ATmega328)
Velocidad de reloj 16 MHz
Características técnicas Arduino UNO
Arduino UNO:
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
Características técnicas XBee™ s1 802.15.4 de Digi
Arduino XBee Shield:
Velocidad de transmisión máxima 250 kbps
Frecuencia de señal 2,5 Ghz
Potencia de transmisión 1 mW (0dbm)
Número de canales 16
Conectividad (interior / exterior) 30m / 100m
Antena Chip, / U.FL
Topología de red Punto a punto, estrella
JUMPERS
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
Sensor de temperatura MCP9700A:
Rango de temperaturas: -40ºC hasta 125ºC
3 pines: Vin, GND y Vout
Vout proporcional al Celsio:
0 es 0V y 1024 son 5V; cada 10mV es 1ºC
Muy económico
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
Sensor de humedad 808H5V5:
Vout proporcional a HR del entorno
Alta precisión
Bajo precio
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
Sensor de luz LDR A9050 :
R inversamente proporcional
a intensidad de luz
Oscuridad => 0
100% de luz (por una lámpara UV) => 950
(%) = (100/950) * analogRead ()
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas y resultados:
Pruebas para determinar distancias entre nodos
Pruebas de conexión
Pruebas de transmisión entre nodos.
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas para determinar distancias entre nodos:
Pruebas en interior (puertas abiertas)
Potencia mínima entre 1.4·10-8 mW y 4.4·10-9 mW.
Pérdidas a partir de los 25 metros
Pruebas en interior (puertas cerradas)
Potencia mínima entre 3.41·10-10 mW y 7.30·10-11 mW.
Pérdidas mayores a partir de los 25 metros
Pruebas en outdoor
La potencia entre 1.60·10-7 mW y 1.26·10-7 mW
Pérdidas a partir de los 36 metros
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas para determinar distancias entre nodos:
Conclusiones:
+ Distancia; - Paquetes recibidos
Comportamientos diferentes según localización
Irregularidades en la comunicación inalámbrica
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas de conexión:
Distancia Conexión
6 metros Ok
16 metros Ok
24 metros Ok
32 metros Al 2º intento se conecta correctamente
36 metros No conecta
Estado conexiones en función de la distancia entre nodos
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas de trasmisión de información entre nodos:
Disposición de medidas indoor con nodo coordinador X
Transmisión entre varios nodos Digimesh
Distancia máxima entre los nodos: 20 metros aprox.
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Pruebas de trasmisión de información entre nodos:
Paquetes recibidos vs perdidos en función de la alimentación
Paquetes perdidos según el voltaje recibido
Características del Arduino:
Input voltage (recomendado) → 7V – 12V
- Input voltage (límites) → 6V – 20V
Voltaje Paquetes recibidos Paquetes perdidos
20 V 100% 0%
15 V 100% 0%
12 V 100% 0%
10 V 100% 0%
9 V 100% 0%
8 V 100% 0%
……. ……. …….
4.0 V (0.06A) 100% 0%
3.8 V (0.06A) 100% 0%
3.7 V (0.01A) 0% 100%
3.6 V (0.01A) 0% 100%
Adaptador de 220V a 5V 1Amp
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Programación de los nodos SquidBee :
Paquetes recibidos vs perdidos en función de la alimentación
Programa para Arduino que lee los datos del sensor desde el puerto serie
¿ESQUEMA CÓDIGO?:
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
Puesta en escena de la red de sensores:
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Winebee
Funcionalidades:
Recogida de datos
Presentación de datos
Añadir nuevos nodos
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Script de recogida de datos:
Python 2.7
#@X|NUM_DATO|data0-VALOR0|data1-VALOR1|data2-VALOR2#
X: Identificador del nodo
NUM_DATO: Número de dato enviado
VALOR0: Luminosidad
VALOR1: Humedad
VALOR2: Temperatura
http://winebee.aquicomo.com/?node=X&lum=VALOR0&hum=VALOR1&temp=VALOR2
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Base de datos:
SQLite
. . .
class Data (models.Model):
id = models.AutoField(primary_key=True)
node = models.ForeignKey(Node, verbose_name=_(u'Node'), null=False, blank=False)
temperature = models.DecimalField(_(u'Temperature'), max_digits=4, decimal_places=2,
null=False, blank=False)
humidity = models.IntegerField(_(u'Humidity'),max_length=4,null=False, blank=False)
luminosity = models.IntegerField(_(u'Luminosity'),max_length=4,null=False, blank=False)
date = models.DateTimeField(_(u'Date'), default=datetime.now, null=False, blank=False)
def __unicode__(self):
return u'%s' % (self.id)
. . .
Cuenta con 2 tablas:
Nodos
Datos
Definición de tablas (Django):
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Aplicación web:
librería de HTML5 y Javascript
http://winebee.aquicomo.com
Frontend
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Aplicación web:
Parte administrativa
http://winebee.aquicomo.com/admin
Backend Alta nuevos nodos
Modificar / Eliminar
Alta usuarios
Consulta de datos
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
Aplicación web:
Ficheros importantes:
Backend
Settings.py
Urls.py
Models.py
Views.py
Templates
Index.html
Showdata.html
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
LA PRODUCCIÓN VITIVINÍCOLA EN CANARIAS
MARCO TECNOLÓGICO
COMPONENTES DE LA RED DE SENSORES
IMPLEMENTACIÓN DE LA RED
SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
PRESUPUESTO
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
Objetivos alcanzados:
Necesidades del sector vitivinícola en Canarias
Estudio del funcionamiento Arduino y Zigbee
Implementación de una WSN
Desarrollo software recogida y lectura de datos vía web
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
Conclusiones y líneas futuras:
Mejora en los resultados de la producción: calidad/rentabilidad
Solución al alcance del pequeño/mediano bodeguero
Continuación de la línea de investigación
Ampliación de nodos / sensores
Independencia del gateway (Ethernet / Wifi)
Introducción de actuadores