Implementación de una red de sensores inalámbrica para la monitorización de explotaciones...

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

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


MARCO TECNOLÓGICO





PRESUPUESTO

BLOQUE I

BLOQUE II

BLOQUE III



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)


(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)


El proceso de producción:

SALA DE ELABORACIÓN

BODEGA DE BARRICAS

BODEGA DE BOTELLAS


Instalación de una pequeña/mediana bodega:

SALA DE ELABORACIÓN BODEGA DE BARRICAS BODEGA DE BOTELLAS


Instalación de una pequeña/mediana bodega:


Parámetros que intervienen en la producción:

Temperatura

Humedad

Cantidad de Luz


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


MARCO TECNOLÓGICO





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!!


INTRODUCCIÓN


MARCO TECNOLÓGICO





PRESUPUESTO

BLOQUE I

BLOQUE II

BLOQUE III


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:


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


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


Sensor de humedad 808H5V5:

Vout proporcional a HR del entorno

Alta precisión

Bajo precio


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 ()


INTRODUCCIÓN


MARCO TECNOLÓGICO





PRESUPUESTO

BLOQUE I

BLOQUE II

BLOQUE III


Pruebas y resultados:

Pruebas para determinar distancias entre nodos

Pruebas de conexión

Pruebas de transmisión entre nodos.


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


Pruebas para determinar distancias entre nodos:

Conclusiones:

+ Distancia; - Paquetes recibidos

Comportamientos diferentes según localización

Irregularidades en la comunicación inalámbrica


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


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.


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


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?:


Puesta en escena de la red de sensores:


INTRODUCCIÓN


MARCO TECNOLÓGICO





PRESUPUESTO

BLOQUE I

BLOQUE II

BLOQUE III


Winebee

Funcionalidades:

Recogida de datos

Presentación de datos

Añadir nuevos nodos


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


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):


Aplicación web:

librería de HTML5 y Javascript

http://winebee.aquicomo.com

Frontend

http://winebee.aquicomo.com/


Aplicación web:

Parte administrativa

http://winebee.aquicomo.com/admin

Backend Alta nuevos nodos

Modificar / Eliminar

Alta usuarios

Consulta de datos





Aplicación web:

Ficheros importantes:

Backend

Settings.py

Urls.py

Models.py

Views.py

Templates

Index.html

Showdata.html


INTRODUCCIÓN


MARCO TECNOLÓGICO





PRESUPUESTO

BLOQUE I

BLOQUE II

BLOQUE III


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:

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

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