Tema B: Hidrología y Gestión del Agua

Monitorización Medioambiental vía web de una Red de 150

Sensores Inalámbricos en la Comunidad Valenciana

Marcos Martínez Peiró1, Fco. Ballester Merelo2, Héctor Brotons Briva3

1 y 2 Profesores Titulares de Universidad, Universidad Politécnica de Valencia

3Ingeniero de Telecomunicación, Dpto. Técnico-Comercial, empresa BALMART

mpeiro@eln.upv.es

1 Introducción La mayor red de sensorización piloto europea cumple su primer año de vida. Desde que el pasado año, la

Consellería de Medi Ambient, Aigüa, Urbanisme i Habitatge de la Comunidad Valenciana firmara un acuerdo con la empresa tecnológica BALMART, se ha implantado una red de 150 sensores inalámbricos de ultra bajo

consumo en las inmediaciones del paraje natural del Pico del Remedio en la localidad de Chelva. BALMART ha

realizado el proyecto mediante convenios de I+D con la Universidad Politécnica de Valencia, y ha contado con

la colaboración de expertos en sensorización agronómica de DECAGON (USA), en concreto del laboratorio

LAB-FERRER en Cervera. Como resultado, BALMART ha depositado una patente de su sistema en USA,

denominado comercialmente RFreeNET.

Las premisas del desarrollo era conseguir una red que permitiera, sin coste de comunicaciones y con bajo coste

de mantenimiento e instalación, realizar una caracterización edafológica del terreno, describiendo la humedad y

temperatura de los diversos tipos de vegetación del entorno para implantar un novedoso sistema de reforestación

y prevención de incendios forestales. Adicionalmente a las expectativas de la Consellería, la empresa ha definido

un producto comercial de amplia aplicación en riegos de todo tipo de cultivos y en sensorización de todo tipo de

parámetros medioambientales.

Este artículo pretende describir los resultados de la implantación del sistema RFreeNET; inicialmente describirá

la red y los equipos de comunicaciones que la conforman, posteriormente indicará los tipos de sensores que está

aplicando junto con el resumen del proyecto de implantación de 200 sensores que se realiza junto a Consellería

de Medio Ambiente. El artículo finalizará con las conclusiones oportunas y una muestra de resultados vía web

por parte de los usuarios (desde particulares a grandes corporaciones). El artículo se acompaña de fotografías y

gráficos obtenidos de la aplicación instalada en Chelva y en cultivos de la provincia de Lleida.

2 Descripción de la red RFreeNET

2.1 Funcionalidad Hídrica y Estructura Física

La red recibe datos cuatro veces al día de los 150 nodos instalados en monte. Cada sensor muestrea Tª y Hª

ambiente y, un porcentaje del 10% de los nodos ofrece también Tª y Hª enterradas cada tres segundos,

almacenando valores máximos, mínimos y medios de cada hora, así como los gradientes programados en remoto

por el usuario. La información es enviada a la web para su actualización 4 veces al día en el caso de la aplicación

masiva realizada con Consellería. Para el caso de ahorro hídrico en riegos, la actualización de la información se

realiza cada 5 minutos, para controlar al máximo las necesidades de riego de los cultivos en tiempo real. En

ambas aplicaciones el sistema envía alarmas inmediatas por gradiente de Tª y/o Hª sin esperar al tiempo de

transmisión. Estas alarmas son mostradas en la aplicación web y pueden ser enviadas con mensaje SMS o correo

electrónico a las direcciones y teléfonos de emergencias preprogramados. En el caso de prevención y detección

de incendios forestales, la aplicación remota en servidor se encarga de comparar las temperaturas recibidos por

cada nodo y generar un mapa térmico del terreno, enviando alertas si se superan los gradientes máximos

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establecidos. Asimismo se estudia la adaptación del período de reforestación al punto óptimo de Tª y Hª

enterradas y ambiente, en función del tipo de matorral existente.

La figura 1 muestra los equipos que conforman la red de sensorización inalámbrica.

800m

Figura 1 Esquema simplificado de la red de sensorización.

La figura 2 muestra una aplicación distinta, basada en sensar de forma inalámbrica hasta 4 niveles distintos de

humedad y conductividad eléctrica enterradas. Los cuatro nodos mostrados en la figura envían la información

desde los cultivos hasta el concentrador de datos (Gateway) vía enlace radio en la banda libre de 2,4GHz con

protocolo basado en el estándar 802.15.4 y capa de red diseñada y patentada por BALMART para obtención de

enrutamiento dinámico y bajo consumo.

La figura 3 muestra la aplicación final con la comunicación de los datos del Gateway hasta el receptor de datos

vía GSM/GPRS o por internet de forma bidireccional. El servidor se encargará de mantener los datos de los

sensores de cada uno de los clientes o plantaciones en los que se instale un Gateway. Los clientes finales,

usuarios del sistema, puede estar distribuidos en cualquier PC del mundo. Mediante acceso a una página web

privada obtienen los dataos en tiempo real de su instalación, pudiendo imprimir, exporta o procesar de forma

independiente los mismos, así como interactuar con el sistema para activar el sistema automático de riego que

pudiera estar instalado.

Los equipos que conforman la red se detallan en la siguiente tabla, junto con algunas de sus características más

destacadas:

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Tabla 1 Equipos de la red de sensorización inalámbrica RFreeNET.

Nombre Descripción Características básicas

RFIX Nodo sensor de

radiofrecuencia

Alimentación a batería o panel solar, hasta 4 entradas de sensado, sensores

DECAGON, contadores de riego por pulsos, entradas/salidas digitales, 4-

20mA. Permite crear redes mesh con otros sensores, encaminando los

datos y actuando como repetidor de nodos vecinos hasta que los datos

alcancen el gateway. Trabaja en la banda ISM de 2,4GHz, bajo estándar

802.15.4

Gateway Concentrador de

comunicaciones

Alimentado a 220V o baterías 12V. Soporta entrada de datos de nodos

radio a 2,4GHz, soporta cientos de nodos en un solo equipo. Software de

red. Control y puesta en marcha de equipos mediante software local y

gestión de datos remota o local. Entradas 4-20mA, contador de pulsos,

conexión pluviómetro, veleta… Comunicaciones Ethernet, GSM/GPRS.

Carril DIN.

Receptor Equipo receptor

de datos remoto.

Almacena datos de cientos de clientes Gateway en paralelo. Gestión de

Base de Datos de clientes. Software encriptado y autentificado. Procesado

de datos y gráficas, mapas y cartografía de cada cliente, mantenimiento de

información 365 días / 24h. Acceso remoto vía web de los clientes.

Figura 2 Ejemplo de 4 nodos sensores inalámbricos y un Gateway para aplicaciones de regadío. Cada nodo sensa 4 niveles distintos de humedad y CE enterradas

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Figura 3 Sistema completo con comunicación desde Gateways a receptora de servicio. Los clientes acceden de forma remota y privada a sus datos

2.2 Software de comunicaciones y datos

El software utilizado para procesar los datos se ha denominado comercialmente EcoLoader. Este software

permite la programación, configuración, gestión y monitorización de la red de sensorización inalámbrica

medioambiental RFreeNET. El software es gratuito y fácilmente descargable desde la web de BALMART

www.balmart.es como cliente. Ecoloader funciona bajo sistema operativo Microsoft Windows y se ejecuta de

forma local, aunque existe una versión de acceso vía web que es, probablemente la mas atractiva, ya que libera al

usuario final de dependencias y mantenimiento de un PC en oficinas.

Ecoloader monitoriza exclusivamente un Gateway que puede ser utilizado con cientos de nodos RFIX,

permitiendo tanto la instalación de la red como la operación (sensorización y telemetría) de múltiples sensores

conectados con cada nodo RFIX. Los siguientes párrafos destacan las dos funcionalidades de ecoloader.

Ecoloader Instalación

• Se ejecuta mediante conexión del PC con el Gateway vía puerto serie RS232.

• Programa una configuración inicial al Gateway.

• Realiza lecturas de parámetros del Gateway una vez programado.

• Integra un sistema de plantillas para almacenar configuraciones y facilitar su reutilización.

• Realiza una monitorización básica para comprobar el correcto funcionamiento de la red

indicando:

o información de consumos y baterías. o coberturas de nodos. o fechas y horas de las últimas recepciones de datos de nodos y Gateway.

Ecoloader Operación

• Se ejecuta vía conexión del PC al Gateway por red Ethernet.

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• Realiza la monitorización constante de la red, llevando a cabo un registro de eventos en

formato Excel para su fácil portabilidad y tratamiento.

• Realiza lecturas y modificaciones de parámetros de nodos y Gateway.

• Interactúa con la red, reiniciando los nodos o forzando envíos de medidas y estado.

3 Tipos de Sensores Los sensores utilizados en el proyecto presentado son:

a) Sensor de temperatura y humedad relativa ambiente, incluido en el encapsulado del nodo de sensorización inalámbrica RFIX.

b) Sensor de Temperatura y Humedad de Suelos del fabricante DECAGON. Las sondas ECH2O de Decagon Devices Inc.,(Pullman, WA—USA) se emplean en todo el mundo para medir la humedad del

suelo. Las sondas ECH2O aúnan los últimos avances en electrónica y el empleo de materiales

resistentes con el fin de poder monitorizar a largo plazo y con precisión el contenido de agua. Por este

motivo y por su bajo coste se pueden obtener medidas en varios puntos dentro de una parcela y a

diferentes profundidades. Las sondas ECH2O son sensores de tipo capacitivo que miden la constante

dieléctrica o permisividad del suelo o del medio para posteriormente correlacionarlo con su contenido

volumétrico de agua (Volumetric Water Content, VWC). La temperatura (T) y salinidad son los

factores que más afectan a las medidas de humedad del suelo. El circuito de las sondas ECH2O

minimiza el efecto de los cambios de T y su recubrimiento minimiza los de la salinidad. Las sondas se

conectan vía prensa-estopas a los nodos RFIX, admitiendo hasta 4 por nodo y manteniendo el grado de

protección deseado. El software RFreeNET adapta las ecuaciones de las medidas de las sondas y

permite visualizar los datos, imprimirlos e importarlos a otras herramientas de análisis.

c) Pluviómetros, veleta, sensores de luminosidad de diversos fabricantes. Se conectan a los nodos inalámbricos mediante las entradas de contadores de pulsos, serie e I2C.

4 El proyecto de Prevención de Incendios

4.1 Objetivo

Los datos meteorológicos son una herramienta básica para la toma de decisiones en gestión forestal y en la

prevención de incendios forestales. Así los valores de temperatura y humedad son un componente de la mayor

parte de los índices de riesgo de incendio forestal existentes. En la actualidad está información es suministrada

de manera fundamental por la red de estaciones del Instituto Nacional de Meteorología, reforzada en el caso del

índice diario elaborado por el Sistema Integrado de Gestión de Incendios Forestales por los datos de la red de

Observatorios Forestales de Prevención de Incendios Forestales de la Consellería de Medio Ambiente, Territorio

y Vivienda. Sin embargo, si bien las lecturas meteorológicas son una información de gran valor, existe una

carencia no solucionada a la fecha, que es la obtención de valores de temperatura y humedad a ras de suelo e

incluso del primer horizonte edáfico, datos que permitirían obtener un valor real del grado de sequía y del estrés

hídrico, valor que al incorporar el efecto protector de la cobertura vegetal es un complemente ideal de los

actuales sistemas de teledetección por satélite.

La red prevista ubica los sensores y gateway a partir de una red ya existente y consolidada como es la de los

observatorios forestales, se plantea un sistema en estrella de tal manera que a partir de un Gateway situado en el observatorio se extiende un “hilo” de sensores en cada punto cardinal hasta un radio de 5 km (se ha considerado

que esta distancia permite un cómodo mantenimiento desde el observatorio).

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4.2 Escenario

El escenario escogido para la realización de la instalación de la prueba piloto se trata del Pico del Remedio

situado en la localidad valenciana de Chelva. En dicho pico existe un puesto de vigilancia permanente donde se

encuentra un operario de la Generalitat (figura 4).

En una primera aproximación, la red instalada tiene una topología en estrella con cuatro líneas o brazos. En el

centro de dicha estrella se encuentra el elemento Gateway, encargado de la recepción y envío de los datos

generados por los nodos instalados. La figura 5 muestra una captura de pantalla de la aplicación funcionando con

parte de la instalación realizada. Un ejemplo de instalación de nodo puede observarse en la figura 6.

Figura 4 Paraje natural de la red de sensorización inalámbrica para la prevención de incendios forestales

Figura 5 Red de sensorización inalámbrica instalada en Chelva por BALMART con la colaboración de la consellería de medio ambiente

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Figura 6 Ejemplo de nodo sensor inalámbrico instalado

El diseño anterior representa la distribución “teórica” de los sensores en el territorio atendiendo únicamente a los

parámetros de mantenimiento de la operatividad de la transmisión, sin embargo el objeto principal del proyecto

es obtener una monitorización real del mayor número posible de “escenarios”, para ello en la instalación de los

sensores “in situ” se deberá seguir un protocolo, de tal manera que para cada uno de los hilos se instalará un

sensor cada vez que se produzca uno de los hechos siguientes:

1. Un cambio en las características principales de cobertura de la vegetación (como referencia se partiría de los modelos de combustible del USDA Forest3 y de los tipos estructurales del PGOF4).

2. Un cambio en las características edáficas (a partir del mapa de suelos en elaboración por CIDE)

3. Superar los 90 metros de separación desde otro sensor o del gateway

Los sensores se instalarán únicamente en terreno forestal, convenientemente disimulados sobre el terreno,

anotándose sus coordenadas UTM y realizando una foto referenciada del punto exacto de su ubicación.

5 Resultados obtenidos. Conclusiones La figura 7 muestra una captura de pantalla de la aplicación en un navegador web. Hoy en día se están instalando

nodos con panel solar para realizar mínimos mantenimientos cada 3 o 5 años. Asimismo se dotan de actuadores y

comunicaciones con programadores de riego para potenciar las capacidades del sistema.

En una primera aproximación, la red instalada tiene una topología en estrella con cuatro líneas o brazos. Estas

líneas no son rectas debido a la abrupta orografía de la zona, los nodos han sido ubicados en puntos en donde el

acceso es de complejidad fácil-media. Cada una de estas líneas intenta alcanzar al menos uno de los siete suelos

significativos que se pretendían caracterizar desde el punto de vista de humedad enterrada: Leptosoles I, Luvisoles II, kastanozems IIIa, kastanozems II, Calcisoles IV y Regosoles V, Regosoles Vb.

Los datos recogidos actualmente ascienden a un total de 168.000 registros aproximadamente, correspondientes a

los envíos de medidas cada 6 horas de los 133 nodos existentes. Estos datos han sido exportados a una hoja de

cálculo con la que se han realizado las representaciones tanto de humedad como de temperatura ambiente. A

continuación se muestran algunas gráficas de nodos de la línea 1 y 7 (figura 8).

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Figura 7 Navegación web de cliente final. Menú visualización de mapa de instalación. Medidas de 3 sensores enterrados de Hª y Tª por nodo sensor. Área de trabajo en Chelva con 150 nodos instalados

Figura 8 Datos recibidos en el servidor central por uno de los nodos de la instalación. Gráficas relativas a Humedad Ambiente a ras de suelo

Se espera la futura implantación (septiembre a diciembre de 2009) de nodos solares y las pruebas de envío de

SMS y alertas por gradiente operativas. Para la campaña de verano de 2010 Consellería cuenta con tener

resultados de esta prueba piloto y plantear las ampliaciones futuras del sistema.

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6 Agradecimientos Los autores agradecen la colaboración del departamento de prevención de incendios forestales de la Consellería

de Medio Ambiente de la Generalitat Valenciana, que nos ha permitido realizar la experiencia piloto y nos dictó

los requerimientos de la misma; así como al laboratorio de la empresa LAB-FERRER que ha aportado su

conocimiento en sensórica y análisis de humedades en diversos terrenos y cultivos.