AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIOacuteN DE

DATOS CON SENSORES 808H5V5 MCP9700A WATERMARK

MPX4115A SQ-110 COMUNICACIOacuteN MEDIANTE PROTOCOLO ZIGBEE Y

MySQL PARA UN CULTIVO DE TOMATE EN SUTAMARCHAacuteN BOYACAacute

(COLOMBIA)

LUIS MIGUEL IBARRA DAZA

UNIVERSIDAD SANTO TOMAacuteS DE AQUINO

FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

BOGOTAacute DC

ANtildeO 2012

DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIOacuteN DE

DATOS CON SENSORES 808H5V5 MCP9700A WATERMARK

MPX4115A SQ-110 COMUNICACIOacuteN MEDIANTE PROTOCOLO ZIGBEE Y

MySQL PARA UN CULTIVO DE TOMATE EN SUTAMARCHAacuteN BOYACAacute

(COLOMBIA)

LUIS MIGUEL IBARRA DAZA

Monografiacutea para optar al tiacutetulo de Ingeniero Electroacutenico

Director

ING ANDREA DEL PILAR GOMEZ TORRES

Docente Facultad de Ingenieriacutea Electroacutenica

UNIVERSIDAD SANTO TOMAacuteS DE AQUINO

FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

BOGOTAacute DC

ANtildeO 2012

RECTOR GENERAL

Padre Carlos Mario Alzate Montes OP

VICERRECTOR ACADEacuteMICO

Padre Eduardo Gonzaacutelez Gil OP

VICERRECTOR ADMINISTRATIVO-FINANCIERO

Padre Luis Francisco Sastoque Poveda OP

DECANO DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteAS

Padre Pedro Joseacute Diacuteaz Camacho OP

DECANO FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

Ingeniera Adriana Cecilia Paacuteez Pino

NOTA DE ACEPTACIOacuteN

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Tutor

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Jurado

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Jurado

BOGOTA DC 03 DE DICIEMBRE DE 2012

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mis padres Gloria Raquel y Ciro Alfonso por todo el esfuerzo y apoyo brindado para que este suentildeo sea realidad gracias

por sus consejos que han sido los que marcaron la diferencia en mi vida a mi hermano Ciro Alfonso por hacerme entender que la vida es solo una y es para aprovecharla a Dios que me acompantildeoacute durante los buenos y malos

momentos a mi familia por el apoyo y consejos a mis amigos que hicieron de este tiempo una experiencia inolvidable a los docentes que guiaron mi camino durante estos 5 antildeos de pregrado en especial al ingeniero Edgar

Betancourt por ser ejemplo a seguir durante este proceso a Sandra por su colaboracioacuten y paciencia docentes y directivas en general

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

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INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

58

CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 2: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIOacuteN DE

DATOS CON SENSORES 808H5V5 MCP9700A WATERMARK

MPX4115A SQ-110 COMUNICACIOacuteN MEDIANTE PROTOCOLO ZIGBEE Y

MySQL PARA UN CULTIVO DE TOMATE EN SUTAMARCHAacuteN BOYACAacute

(COLOMBIA)

LUIS MIGUEL IBARRA DAZA

Monografiacutea para optar al tiacutetulo de Ingeniero Electroacutenico

Director

ING ANDREA DEL PILAR GOMEZ TORRES

Docente Facultad de Ingenieriacutea Electroacutenica

UNIVERSIDAD SANTO TOMAacuteS DE AQUINO

FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

BOGOTAacute DC

ANtildeO 2012

RECTOR GENERAL

Padre Carlos Mario Alzate Montes OP

VICERRECTOR ACADEacuteMICO

Padre Eduardo Gonzaacutelez Gil OP

VICERRECTOR ADMINISTRATIVO-FINANCIERO

Padre Luis Francisco Sastoque Poveda OP

DECANO DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteAS

Padre Pedro Joseacute Diacuteaz Camacho OP

DECANO FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

Ingeniera Adriana Cecilia Paacuteez Pino

NOTA DE ACEPTACIOacuteN

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______________________________

______________________________

______________________________

______________________________

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______________________________

Tutor

______________________________

Jurado

______________________________

Jurado

BOGOTA DC 03 DE DICIEMBRE DE 2012

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mis padres Gloria Raquel y Ciro Alfonso por todo el esfuerzo y apoyo brindado para que este suentildeo sea realidad gracias

por sus consejos que han sido los que marcaron la diferencia en mi vida a mi hermano Ciro Alfonso por hacerme entender que la vida es solo una y es para aprovecharla a Dios que me acompantildeoacute durante los buenos y malos

momentos a mi familia por el apoyo y consejos a mis amigos que hicieron de este tiempo una experiencia inolvidable a los docentes que guiaron mi camino durante estos 5 antildeos de pregrado en especial al ingeniero Edgar

Betancourt por ser ejemplo a seguir durante este proceso a Sandra por su colaboracioacuten y paciencia docentes y directivas en general

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

54

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

58

CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 3: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

RECTOR GENERAL

Padre Carlos Mario Alzate Montes OP

VICERRECTOR ACADEacuteMICO

Padre Eduardo Gonzaacutelez Gil OP

VICERRECTOR ADMINISTRATIVO-FINANCIERO

Padre Luis Francisco Sastoque Poveda OP

DECANO DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteAS

Padre Pedro Joseacute Diacuteaz Camacho OP

DECANO FACULTAD DE INGENIERIacuteA ELECTROacuteNICA

Ingeniera Adriana Cecilia Paacuteez Pino

NOTA DE ACEPTACIOacuteN

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Tutor

______________________________

Jurado

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Jurado

BOGOTA DC 03 DE DICIEMBRE DE 2012

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mis padres Gloria Raquel y Ciro Alfonso por todo el esfuerzo y apoyo brindado para que este suentildeo sea realidad gracias

por sus consejos que han sido los que marcaron la diferencia en mi vida a mi hermano Ciro Alfonso por hacerme entender que la vida es solo una y es para aprovecharla a Dios que me acompantildeoacute durante los buenos y malos

momentos a mi familia por el apoyo y consejos a mis amigos que hicieron de este tiempo una experiencia inolvidable a los docentes que guiaron mi camino durante estos 5 antildeos de pregrado en especial al ingeniero Edgar

Betancourt por ser ejemplo a seguir durante este proceso a Sandra por su colaboracioacuten y paciencia docentes y directivas en general

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

54

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 4: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

NOTA DE ACEPTACIOacuteN

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Tutor

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Jurado

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Jurado

BOGOTA DC 03 DE DICIEMBRE DE 2012

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mis padres Gloria Raquel y Ciro Alfonso por todo el esfuerzo y apoyo brindado para que este suentildeo sea realidad gracias

por sus consejos que han sido los que marcaron la diferencia en mi vida a mi hermano Ciro Alfonso por hacerme entender que la vida es solo una y es para aprovecharla a Dios que me acompantildeoacute durante los buenos y malos

momentos a mi familia por el apoyo y consejos a mis amigos que hicieron de este tiempo una experiencia inolvidable a los docentes que guiaron mi camino durante estos 5 antildeos de pregrado en especial al ingeniero Edgar

Betancourt por ser ejemplo a seguir durante este proceso a Sandra por su colaboracioacuten y paciencia docentes y directivas en general

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

47

Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

52

Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

54

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

58

CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

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Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 5: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradezco a mis padres Gloria Raquel y Ciro Alfonso por todo el esfuerzo y apoyo brindado para que este suentildeo sea realidad gracias

por sus consejos que han sido los que marcaron la diferencia en mi vida a mi hermano Ciro Alfonso por hacerme entender que la vida es solo una y es para aprovecharla a Dios que me acompantildeoacute durante los buenos y malos

momentos a mi familia por el apoyo y consejos a mis amigos que hicieron de este tiempo una experiencia inolvidable a los docentes que guiaron mi camino durante estos 5 antildeos de pregrado en especial al ingeniero Edgar

Betancourt por ser ejemplo a seguir durante este proceso a Sandra por su colaboracioacuten y paciencia docentes y directivas en general

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

47

Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

52

Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

54

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

58

CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 6: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

CONTENIDO

Paacuteg

INTRODUCCIOacuteN 15

OBJETIVOS 16

GENERAL 16

ESPECIacuteFICOS 16

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 17

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

12 JUSTIFICACIOacuteN 19

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 19

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO 20

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES 20

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO 21

2 DE LA EMPRESA 23

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS 24

22 MISIOacuteN 24

23 VISIOacuteN 24

24 FABRICA DE SOFTWARE 24

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 25

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES 26

3 MARCO TEORICO 27

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN 28

311 Origen 29

312 Trayectoria 29

32 ZIGBEE 29

33 SENSORES 31

3311 Sensor de Humedad Ambiente 31

3312 Sensor de Temperatura Ambiente 32

3313 Sensor de Humedad de Suelo 33

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica 34

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar 35

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica 36

34 WASPMOTE 38

35 MESHLIUM 40

4 DEL PROYECTO 41

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

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62

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63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 7: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

41 COMPONENTES DEL HARDWARE 42

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE 44

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE 48

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM 51

441 Manager System 51

442 PuTTY (Cliente SSH) 51

45 BASE DE DATOS 52

46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS 53

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA 54

5 VALOR AGREGADO Y PROYECTOS A FUTURO 56

51 APLICACIOacuteN WEB 57

52 AUTOMATIZACIOacuteN 57

CONCLUSIONES 58

ACLARACIOacuteN 60

BIBLIOGRAFIA 61

ANEXOS 63

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 8: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

LISTAS DE TABLAS

Paacuteg

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos 21

Tabla 2 Centibar vs Resistencia 34

Tabla 3 Modelo de Datos 51

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

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VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 9: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

LISTAS DE FIGURAS

Paacuteg

Figura 1 Planteamiento del Problema 18

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas 20

Figura 3 Requerimientos del Proyecto 22

Figura 4 Actividades Desarrolladas 26

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten 28

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas 30

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente 32

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente 32

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo 33

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica 35

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar 36

Figura12 Anemoacutemetro 36

Figura13 Veleta 37

Figura14 Pluvioacutemetro 38

Figura 15 Placa Waspmote 39

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote 42

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium 43

Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE 44

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE 45

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE 46

Figura21 Carga del Programa a Waspmote 47

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee 48

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee 49

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee 50

Figura25 PuTTY 52

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad 53

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo 54

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 10: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

LISTAS DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten 63

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente 64

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente 65

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo 66

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

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INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 11: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

GLOSARIO

Agricultura de Precisioacuten modelo de agricultura en el cual se optimiza el uso de los recursos teniendo en cuenta la variabilidad de los factores que influyen en la produccioacuten de un cultivo mediante el adecuado manejo de la informacioacuten

Agua de Riego agua utilizada con el fin de suplir el consumo por evapotranspiracioacuten de un cultivo Amperio (A) unidad de intensidad de corriente eleacutectrica del Sistema Internacional y es la cantidad de electrones que fluyen a traveacutes de un material conductor Amperio-hora (Ah) un amperio hora es una unidad de carga eleacutectrica Indica la cantidad de carga eleacutectrica que pasa por los terminales de una bateriacutea si eacutesta proporciona una corriente eleacutectrica de 1 amperio durante 1 hora Antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio Convierte la onda guiada por la liacutenea de transmisioacuten (el cable o guiacutea de onda) en ondas electromagneacuteticas que se pueden transmitir por el espacio libre Antena Isotroacutepica se define como una antena que radia energiacutea uniformemente en todas las direcciones Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una placa con un Microcontrolador y un entorno de desarrollo disentildeada para facilitar el uso de la electroacutenica en proyectos de diferentes disciplinas Buenas praacutecticas agriacutecolas (BPA) seguacuten la NTC 5400 ldquola aplicacioacuten de las buenas praacutecticas agriacutecolas implica el conocimiento comprensioacuten planificacioacuten registro y la gestioacuten orientados al logro de objetivos sociales ambientales y productivos especiacuteficosrdquo Decibelio (dB) unidad logariacutetmica de potencia relativa relaciona la potencia de salida sobre la de entrada Decibelio Isotroacutepico (dBi) unidad logariacutetmica de potencia relativa de una antena isotroacutepica Evapotranspiracioacuten proceso por el cual el agua se pierde del suelo una parte por accioacuten de la energiacutea del sol y las condiciones ambientales que rodean el suelo (evaporacioacuten) y otra parte por el metabolismo de la planta (transpiracioacuten) Fertilizante elemento aplicado al suelo con el fin de proporcionar los nutrientes necesarios para su desarrollo cada fertilizante puede traer componentes y concentraciones diferentes por lo tanto es necesario tener las fichas teacutecnicas de cada producto Gateway es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicacioacuten

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 12: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnologiacutea de conmutacioacuten de paquetes que permite transferencias de datos a traveacutes de redes celulares Se utiliza

para el Internet moacutevil MMS (Multimedia Messaging System) y otras

comunicaciones de datos Tambieacuten se conoce como 25G GPS (Global Positioning System) sistema que sirve para determinar la posicioacuten de algo especifico proporcionando coordenadas latitud longitud y altura el GPS estaacute constituido por una constelacioacuten de 24 sateacutelites ubicados a 20000km de la tierra Hercio (Hz) es una unidad de frecuencia en el sistema internacional Se define como el nuacutemero de ciclos de onda completos por segundo Laboratorio certificado laboratorio que realiza anaacutelisis quiacutemicos y fiacutesicos de suelos aguas y tejidos vegetales cumpliendo con la normatividad actual y certificado por una entidad competente Longitud de Onda (λ) define la longitud espacial de un ciclo de onda Manejo fitosanitario todas las actividades que se realizan dentro del cultivo para prevenir el desarrollo de plagas y enfermedades Manual de procedimientos documento que define los pasos para realizar un proceso Meshlium es un router Linux desarrollado por Libelium que contiene 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Posee una carcasa de aluminio IP65 PHP (Hypertext Preprocessor) es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web Plaga cualquier especie vegetal animal u hongo que aparezca de forma masiva causando dantildeos al cultivo Plaguicida producto encaminado al control y prevencioacuten de plagas y enfermedades del cultivo Protocolo es un conjunto de reglas usadas por dispositivos electroacutenicos para comunicarse unos con otros a traveacutes de una red por medio de intercambio de mensajes Registro documento que evidencia la ejecucioacuten de alguna actividad o proceso Router es un dispositivo electroacutenico usado para la transferencia de datos este dispositivo enruta los datos buscando el camino maacutes corto para su efectiva transferencia tambieacuten hay algunos maacutes sofisticados que buscan el camino maacutes raacutepido asiacute no sea el maacutes corto Sensor transformaacutendola normalmente en energiacutea eleacutectrica con el objetivo de cuantificar y manipular esta informacioacuten

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

15

INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

16

OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

17

CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

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62

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 13: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

Topologiacutea es la forma loacutegica y geomeacutetrica de una red es la configuracioacuten adoptada por las estaciones de trabajo para conectarse entre siacute Entre las maacutes comunes encontramos las de anillo estrella malla aacuterbol entre otras Trazabilidad proceso mediante al cual es posible conocer la procedencia y manejo de un producto desde el lugar en donde se produce hasta el consumidor final Voltio (V) unidad de potencial eleacutectrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor Waspmote es un dispositivo sensorial desarrollado por Libelium especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre protocolo ZigBee a frecuencias 24GHz siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km WiFi es una tecnologiacutea inalaacutembrica muy utilizada a nivel mundial tambieacuten conocido como el estaacutendar IEEE 80211 ZigBee es un estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas disentildeado por la ZigBee Alliance estaacute basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y maximizacioacuten de la vida uacutetil de sus bateriacuteas

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INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

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21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 14: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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INTRODUCCIOacuteN

La necesidad de mejorar las condiciones agriacutecolas a nivel mundial de la mano con el avance tecnoloacutegico presentado por la humanidad en el uacuteltimo siglo ha permitido que estos dos campos que pareciacutean tan distantes se unieran y generaraacuten nuevas alternativas que permitieran controlar y optimizar las condiciones de un cultivo logrando asiacute mejores resultados y productos de mejor calidad para el usuario final El sector agriacutecola en Colombia forma parte del gremio con mayor importancia dentro de la economiacutea del paiacutes ademaacutes de estar en un crecimiento considerable este sector se encuentra en evolucioacuten constante incursionando nuevas posibilidades donde la tecnologiacutea entra a jugar un papel importante algunos de los modelos desarrollados para la siembra crecimiento cosecha y pos cosecha hacen uso de dispositivos electroacutenicos y de comunicacioacuten dentro de los cuales se encuentra la agricultura de precisioacuten modelo el cual hace uso de dispositivos sensoriales con el objetivo de mantener un monitoreo constante del estado del cultivo dispositivos de comunicacioacuten autoacutenomos manteniendo informacioacuten constante de los datos leiacutedos dispositivos de posicionamiento global imaacutegenes satelitales herramientas de software y la red mundial (internet) Los proyectos de innovacioacuten generalmente no tienen la acogida esperada en el campo agriacutecola ya que los especialistas en esta aacuterea prefieren no arriesgarse con meacutetodos que pueden entorpecer los procesos del cultivo generando retrasos y peacuterdidas La forma tradicional de realizar el acompantildeamiento a los cultivos ha frenado los avances en cuanto a la calidad de la cosecha el modelo de agricultura de precisioacuten busca optimizar los procesos en las actividades diarias desarrolladas dentro de un cultivo los dispositivos sensoriales de comunicacioacuten almacenamiento y control son imprescindibles a la hora de implementar una solucioacuten basaacutendose en este modelo

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 15: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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OBJETIVOS

GENERAL

Disentildear un sistema de agricultura de precisioacuten para adquirir informacioacuten sobre un cultivo de tomate en el municipio de Sutamarchaacuten (Boyacaacute ndash Colombia) integrando tecnologiacuteas sensoriales de comunicacioacuten y de almacenamiento

ESPECIacuteFICOS

Configurar los sensores y comunicarlos mediante ZigBee

Realizar un estudio del cultivo con caracterizacioacuten de las mallas altura del cultivo y contenido de elementos quiacutemicos

Disentildear un sistema de adquisicioacuten de datos donde se tome en cuenta Humedad Ambiente Temperatura Ambiente Humedad del suelo Presioacuten Atmosfeacuterica niveles de precipitacioacuten Radiacioacuten Solar velocidad y direccioacuten del viento

Implementar el sistema de Agricultura de Precisioacuten haciendo uso de los sensores 808H5V5 MCP9700A WATERMARK MPX4115A SQ-110 realizando la comunicacioacuten mediante ZigBee y almacenamiento en base de datos (MySQL)

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

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Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

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CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

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21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

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26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 16: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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CAPITULO I

1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

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11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

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Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

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CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

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21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

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Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

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26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

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311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

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Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 17: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

18

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

iquestEs importante aumentar los niveles de produccioacuten dentro del sector Agriacutecola implementando un modelo de gestioacuten con control de las etapas de crecimiento de los cultivos El sector Agriacutecola Colombiano se ha visto estancado a niveles de produccioacuten ya que las formas tradicionales de tratar a los cultivos ha mantenido la calidad y cantidad del producto en un mismo punto para estar en una constante evolucioacuten algunos grandes productores han comenzado a implementar modelos de agricultura desarrollados luego de largos periodos de tiempo de estudio logrado por profesionales en el tema siendo baacutesicamente modelos desarrollados en el exterior estos modelos requieren de inversiones econoacutemicas importantes dejando un poco excluidos a los pequentildeos agricultores Teniendo en cuenta que la demanda de productos va en un constante incremento debido al crecimiento de la poblacioacuten es importante realizar cambios que permitan que los cultivos logren suplir las necesidades del mercado ademaacutes de comenzar a comercializar un producto de mayor calidad siendo beneficioso tanto para el productor como para el consumidor

Figura 1 Planteamiento del Problema

Fuente El Autor

19

12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 18: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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12 JUSTIFICACIOacuteN

ldquoEl modelo de Agricultura de Precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en el campo hace uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con mayor exactitud la produccioacuten de los cultivosrdquo [1]

Los sistemas de agricultura de precisioacuten estaacuten en crecimiento ya que la urgencia del cuidado del medio ambiente estaacute a la orden del diacutea ademaacutes de colaborar con una mayor productividad en los cultivos aunque estos sistemas no se han implementado en grandes proporciones se estaacute investigando mucho acerca del tema y su correspondiente viabilidad dando respuestas favorables para el sector agriacutecola Teniendo en cuenta estos motivos Exsis Software y Soluciones SAS ha decidido crear el Proyecto de Agricultura de precisioacuten con el principal objetivo aumentar la produccioacuten en el sector Agriacutecola ademaacutes de una optimizacioacuten de recursos pretendiendo entrar a futuro como un fuerte competidor dentro del mercado nacional e internacional

13 PROYECTO AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

Se ha querido desarrollar el proyecto de agricultura de precisioacuten con el principal objetivo de no solo contribuir a la constante evolucioacuten del sector agriacutecola en Colombia sino ingresar este tipo de tecnologiacutea a este sector que es tan influyente tanto nacional como internacionalmente El proyecto dentro de su amplio contenido nos permite desarrollar cosas importantes para la ingenieriacutea y la agricultura ya que integra conocimientos de ambas disciplinas en un objetivo en comuacuten en este caso optimizar el proceso de siembra y crecimiento de un cultivo de tomate Para que un cultivo produzca en este caso tomates de excelente calidad es vital que las condiciones climaacuteticas de las plantas esteacuten en un rango oacuteptimo donde su crecimiento va a ser muy cercano al ideal Estas variables principalmente para cultivos bajo un ambiente protegido son Humedad Ambiente temperatura ambiente humedad del suelo velocidad y direccioacuten del viento (para la apertura de cortinas) radiacioacuten solar pluviometriacutea y presioacuten atmosfeacuterica teniendo informacioacuten sobre estas variables el cultivo se veraacute afectado en forma positiva ya que se podraacuten tomar decisiones maacutes acertadas sobre labores de ventilacioacuten y riego La toma de estas variables se haraacute mediante sensores especiacuteficos para cada uno de los propoacutesitos Sensor de Humedad Ambiente Sensor de Humedad del Suelo Sensor de Temperatura Ambiente Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica Sensor de Direccioacuten del Viento Sensor de Velocidad del Viento Sensor de Pluviometriacutea y Sensor de Radiacioacuten Solar para la obtencioacuten de estos sensores se ha contactado a una empresa Espantildeola especializada en integracioacuten y distribucioacuten de sensores para diferentes propoacutesitos teacutecnicos adicional se ha adquirido un concentrador y las placas basadas en Arduino donde se ubicaraacuten otra placa encargada de alojar a los sensores que tomaraacuten los datos

[1] Tomado de httpeswikipediaorgwikiAgricultura_de_precisiC3B3n

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Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

52

Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 19: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

20

Posterior a la toma de datos mediante un software precargado al Microcontrolador ubicado en el hardware de la placa de Arduino se realiza el ensamble de la trama de datos a enviar mediante protocolo inalaacutembrico (ZigBee) teniendo como receptor un Router Linux (Concentrador) el cual posee tecnologiacutea suficiente para realizar enlaces entre ZigBee WiFi Bluetooth y GPRS siendo este elemento el encargado de enviar la informacioacuten captada a una base de datos ubicada en un servidor de la empresa haciendo uso del moacutedulo GPRS El principal objetivo del proyecto Exsis AP es mantener informados a los agricultores sobre el estado de sus cultivos mediante alertas y reportes realizados desde una aplicacioacuten Web desarrollada por Exsis Software amp Soluciones Esquema general del proyecto (Ver Anexo A)

14 LEVANTAMIENTO TOPOGRAacuteFICO DEL CULTIVO

Para lograr el anaacutelisis del estado inicial de las plantas y llegar a un punto de mejora oacuteptimo es necesario realizar un levantamiento topograacutefico de la finca su caracterizacioacuten en mallas y el desarrollo de un plan de tratamiento individual por mallas seguacuten el estado de cada una El levantamiento se realizoacute haciendo uso de dispositivos GPS donde se logroacute obtener un plano detallado de la finca esto con el fin de analizar la ubicacioacuten de los sensores el levantamiento topograacutefico fue realizado por los ingenieros agriacutecolas del proyecto

Figura 2 Cultivo Caracterizado en Mallas

Fuente FLOREZ Heacutector CASTRO Sergio Ingenieros Agriacutecolas UNAL

15 OBTENCIOacuteN DE LOS SENSORES

Para la adquisicioacuten de los sensores con los cuales se ejecutoacute el proyecto de agricultura de precisioacuten se contactoacute con Libelium Comunicaciones Distribuidas SL empresa Espantildeola integradora de servicios dentro de los cuales se encuentran agricultura ciudades inteligentes (Smart Cities) sensores de parqueo entre otros donde para agricultura Libelium en una tarjeta basada en Arduino (hardware libre) ha integrado una placa desarrollada por ellos donde se logra la obtencioacuten los datos leiacutedos por los sensores posteriormente se integran los datos y mediante la placa de Arduino se ensambla una trama por software para su enviacuteo mediante ZigBee gracias a un moacutedulo que acopla dentro de su Hardware

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Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

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CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

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21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

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Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

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311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

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Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

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VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 20: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

21

Tabla 1 Dispositivos Adquiridos

Referencia Descripcioacuten Precio Cantidad Importe

WZBP-SMA2 Waspmote ZB PRO SMA 2 DBI 14700 euro 7 102900 euro

WAGR Waspmote Agriculture Sensor Board 9500 euro 6 57000 euro

WAGRPRO Waspmote Agriculture Sensor Board PRO 22500 euro 1 22500 euro

9256 Wheater Meters 12500 euro 1 12500 euro

9251 Quantum Sensor 25000 euro 1 25000 euro

9203 Temperature Sensor 200 euro 7 1400 euro

9204 Humidity Sensor 1900 euro 7 13300 euro

9248 Watermark Soil Moisture Sensor 4300 euro 18 77400 euro

9250 Air Pressure Sensor 2500 euro 1 2500 euro

WSD microSD 2Gb Card (5 units) 4000 euro 2 8000 euro

6041 6600mAh Rechargeable Battery 2900 euro 7 20300 euro

WGZBP-SMA2 Waspmote Gateway ZB PRO SMA 2 DBI 8000 euro 1 8000 euro

MZ Meshlium ZigBee PRO-AP 67000 euro 1 67000 euro

Fuente Libelium Comunicaciones Distribuidas SL

16 DELIMITACIONES DEL PROYECTO

Si bien es sabido que la agricultura de precisioacuten es un modelo interdisciplinario de innovacioacuten agriacutecola para su desarrollo inicial es necesaria una importante inversioacuten econoacutemica ya que el costo de la tecnologiacutea a utilizar en general es algo elevada teniendo en cuenta que esta tecnologiacutea es especializada escasea su existencia dentro del territorio nacional Otro de los inconvenientes maacutes trascendentes para la adopcioacuten del sistema de agricultura de precisioacuten es la cultura generacional ya que la gran mayoriacutea de agricultores prefiere mantener sus sistemas de riego ventilacioacuten entre otros de forma tradicional

22

Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 21: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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Figura 3 Requerimientos del Proyecto

Fuente El Autor

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CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

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21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

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Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

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311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 22: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

23

CAPITULO II

2 DE LA EMPRESA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

47

Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 23: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

24

21 EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES SAS

ldquoEs una empresa de recursos y capital netamente Colombiano que dio inicio a sus actividades como proveedor de soluciones a la medida con el fin de brindar a nuestros clientes una solucioacuten completa e integrada a sus necesidades especiacuteficas El objetivo primordial de Exsis Software amp Soluciones desde su fundacioacuten en 1994 ha sido ofrecer soluciones de software que permitan satisfacer las necesidades y expectativas de manejo de informacioacuten de sus clientes utilizando los uacuteltimos avances tecnoloacutegicos y asegurando calidad tanto en la prestacioacuten de servicios como en la prestacioacuten de serviciosrdquo[2]

22 MISIOacuteN

ldquoEn Exsis Software amp Soluciones se mantiene como objetivo principal ofrecer soluciones de valor al cliente a costos razonables cumpliendo con normas de calidad establecidas garantizando la satisfaccioacuten de los mismos Se dedica al desarrollo de software a la medida y a la prestacioacuten de servicios relacionados como lo son el soporte consultoriacutea de TI disentildeo e implementacioacuten de redes de comunicacioacutenrdquo[3]

23 VISIOacuteN

ldquoLa visioacuten de Exsis Software amp Soluciones es ser empresa liacuteder en el anaacutelisis disentildeo y desarrollo de sistemas de informacioacuten haciendo uso de tecnologiacutea de punta que ayuden a satisfacer las necesidades de los clientes en mercados nacionales e internacionalesrdquo [4]

24 FABRICA DE SOFTWARE

ldquoLa empresa basa su conocimiento y servicios en modelar construir componentes y aplicaciones a la medida Cuenta actualmente con procedimientos de desarrollo certificados ISO 90012000 y caracterizada por trabajar con tecnologiacutea de punta Los servicios de faacutebrica de software se caracterizan principalmente por

Cada componente fabricado es validado verificado y probado rigurosamente antes de ser integrado de esta manera se logra un alto nivel de calidad y confiabilidad

Trabaja con Gerencia de Proyectos orientada a la administracioacuten y manejo del riesgo

El cliente es parte activa del proceso de disentildeo Seguimiento del cliente y satisfaccioacuten de este mediante procesos

certificados ISO 90012000

[2] Tomado de httpwwwexsiscomco

[3] Ibidem

[4] Ibidem

25

Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

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62

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63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

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Page 24: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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Personal altamente capacitado responsable y calificado Un Desarrollo de software a la medida garantiza disminucioacuten de

costos para la empresa puesto que es maacutes rentable que tener un departamento de tecnologiacutea interno cuyo margen de ganancia se encontrariacutea entre un 50 y 80

Reduccioacuten en el costo de seleccioacuten y reclutamiento de personal Experiencia garantizada en el desarrollo y gerenciamiento de

proyectos de software Proteccioacuten financiera el cliente solo paga cuando se han alcanzado

las metas por fases del proyectordquo[5]

25 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

ldquoDesde un punto de vista agronoacutemico la agricultura de precisioacuten se define como La aplicacioacuten de tecnologiacuteas y principios para administrar la variabilidad local y temporal asociada con todos los aspectos de la produccioacuten agriacutecola a fin de mejorar el rendimiento de los cultivos la rentabilidad y la calidad del medio ambiente Aunque esto sea correcto puede resultar difiacutecil aplicar esta definicioacuten de libro de texto a sus operaciones agriacutecolas diarias La agricultura de precisioacuten se define maacutes faacutecilmente como El proceso de poner el producto adecuado la cantidad adecuada en el lugar adecuado y en el momento adecuado Exsis Software y Soluciones brinda acompantildeamiento desde la preparacioacuten del terreno hasta la plantacioacuten administracioacuten de nutrientes gestioacuten de plagas y fases de cosecha de un ciclo de cultivo Los servicios que Exsis Software amp Soluciones presta en cuanto a agricultura de precisioacuten son Precision Harvest Precision Plant Precision Applied Boundary Maps Precision Seed Precision Guide Precision Preprdquo[6]

[5] Ibidem

[6] Ibidem

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26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

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31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

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311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

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Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

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Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

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Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 25: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

26

26 PRAacuteCTICA EN EXSIS SOFTWARE amp SOLUCIONES

Durante el periodo de praacutectica en la empresa Exsis Software amp Soluciones SAS se desempentildearon labores de soporte teacutecnico en protocolos de comunicacioacuten tales como ZigBee RS232 RS485 entre otros ademaacutes se realizoacute la calibracioacuten y configuracioacuten de sensores especializados en la toma de medidas de variables climaacuteticas normalmente utilizados en el monitoreo de cultivos y cuartos friacuteos De igual manera se realizoacute la configuracioacuten de un Router especial utilizado en aplicaciones especiacuteficas como Smart Cities Smart Environment Smart Water Smart Metering Security and Emergencies Retail Logistic Industrial Control Smart Agriculture Smart Animal Farming Domotic and Home Automation eHealth tambieacuten se desarrolloacute un coacutedigo encargado de la toma de datos y transmisioacuten de datos y la correspondiente programacioacuten de un Microcontrolador con este coacutedigo Se realizoacute el emparejamiento entre sensores los cuales se comunican mediante ZigBee Router (ZigBee-GPRS) para su almacenamiento en base de datos todo esto dentro del proyecto de agricultura de Precisioacuten lsquoExsis APrsquo Adicional al soporte brindado en el proyecto lsquoExsis APrsquo se prestoacute una importante colaboracioacuten en la configuracioacuten comunicacioacuten instalacioacuten y soporte en el proyecto de Sistema de Reconocimiento Facial y biometriacutea Dactilar

Figura 4 Actividades Desarrolladas

Fuente El Autor

27

CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 26: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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CAPITULO III

3 MARCO TEORICO

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

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311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

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VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

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62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 27: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

28

31 AGRICULTURA DE PRECISIOacuteN

La agricultura de precisioacuten es un concepto de gestioacuten de cultivos basado en la existencia de variabilidad en campo Haciendo uso de las tecnologiacuteas de GPS (Global Position System) sensores sateacutelites e imaacutegenes aeacutereas para estimar evaluar y entender dichas variaciones La informacioacuten recolectada puede ser usada para evaluar con mayor precisioacuten el estado del suelo prediciendo con maacutes exactitud la produccioacuten de los cultivos

ldquoEl principio de actuacioacuten en el que se fundamenta la agricultura de precisioacuten es perfectamente adaptable a cualquier otra actividad tras una primera fase de toma de datos se pasa a una segunda fase de anaacutelisis e interpretacioacuten de los datos obtenidos a partir de ellos establecer un procedimiento de actuacioacuten de acuerdo con las necesidadesrdquo [7]

Figura 5 Esquema Agricultura de Precisioacuten

Fuente BURGOS Edmundo FERRI Silvina MALACRIDA Francisco

En la agricultura de precisioacuten es necesario mantener un esquema retroalimentado el cual permite mantener un conocimiento constante sobre el estado del cultivo al cual se le aplica el modelo de agricultura de precisioacuten este esquema como estaacute ilustrado (Ver

Figura5) ndash Determinar Analizar Actuar (para volver a comenzar el ciclo) ndash invita a leer datos conocer la mayor cantidad de informacioacuten sobre el sistema a controlar luego a realizar un anaacutelisis sobre queacute estaacute pasando en el cultivo para poder culminar con la accioacuten y el actuar dependiendo de los resultados del anaacutelisis

[7] Tomado de httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-

ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

52

Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 28: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

29

311 Origen

Enciso Porter Pegraverieacutes [8] Desde hace aproximadamente 20 antildeos la agricultura de precisioacuten ha sido objeto de estudios en los cuales se busca un control de variables en tiempo real el mayor nuacutemero de investigaciones de agricultura de precisioacuten se han realizado en Estados Unidos y Australia siendo los maacutes interesados en este tema y donde mayor desarrollo se ha notado Espantildea ha desarrollado algunas tecnologiacuteas de automatizacioacuten y control de algunas de las variables vitales dentro de un cultivo el uso de PLC sensores motores dispositivos electroacutenicos en general estaacuten marcando la diferencia a la hora de optimizar un proceso bien sea dentro o fuera de un cultivo En Colombia estas teacutecnicas no son comunes aunque algunos proyectos de innovacioacuten han logrado cambiar un poco las ideas de los productores con respecto a sus cultivos

312 Trayectoria

En Colombia no se ha tenido gran recorrido debido a los grandes costos de inversioacuten que genera la implementacioacuten de esta tecnologiacutea (los sensores el software entre otros elementos) teniendo un valor aproximado de $20rsquo000000 sin contar el mantenimiento de estos dispositivos

El cultivar de forma tradicional como las generaciones anteriores han venido haciendo ha impedido la optimizacioacuten de estos procesos teniendo en cuenta que el sector agriacutecola cuenta con gran crecimiento de territorio el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural ha dado a conocer que el crecimiento de la frontera agriacutecola es de aproximadamente cinco (5) millones de hectaacutereas ademaacutes el variado clima existente en Colombia y sus diferentes pisos teacutermicos permiten una importante diversidad de cultivos sin embargo no es de conocimiento comuacuten el modelo de agricultura de precisioacuten ya que durante la eleccioacuten de la finca para el desarrollo del proyecto se realizaron visitas a varias fincas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacaacute teniendo como resultado en comuacuten que ninguna tiene implementada esta tecnologiacutea y en algunos casos ni siquiera se ha tenido en consideracioacuten esta opcioacuten

32 ZIGBEE

ldquoDentro de las tecnologiacuteas de comunicaciones las inalaacutembricas han sido en gran parte las revolucionarias teniendo en cuenta que no son las maacutes raacutepidas ni las maacutes confiables pero la facilidad al no hacer uso de cables han hecho de estas tecnologiacuteas imprescindibles a la hora de realizar redes de comunicacioacuten Dentro de estas tecnologiacuteas encontramos WiFi GSM Bluetooth y ZigBee la cual tiene algunas prestaciones diferentes a las otras tecnologiacuteas acomodaacutendose a los requerimientos del proyectordquo

[9]

[8] Tomado de httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1[9] Tomado de

httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

30

Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

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Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 29: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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Figura 6 Tecnologiacuteas Inalaacutembricas

Fuente DREW Gislason ldquoZIGBEE WIRELESS NETWORKINGrdquo (2008)

ldquoZigBee es un Estaacutendar de comunicaciones inalaacutembricas desarrollado por la ZigBee Alliance este estaacutendar maacutes que ser una tecnologiacutea es un conjunto de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante dentro de sus desarrollos ZigBee es basado en el estaacutendar IEEE 802154 de redes inalaacutembricas de aacuterea personal y tiene como principal objetivo implementarse en aplicaciones que requieran comunicaciones seguras con baja tasa de enviacuteo de datos y bajo consumo de energiacutea logrando asiacute la optimizacioacuten de la vida uacutetil de las bateriacuteas La ZigBee Alliance es una comunidad internacional dentro de la cual encontramos multinacionales como Motorola Mitsubishi Philips Samsung Honeywell Siemens entre otras Este estaacutendar se desarrollo pensando en aplicaciones donde se necesite una comunicacioacuten segura de bajo consumo energeacutetico y de bajo costo ademaacutes de proporcionar una comunicacioacuten radial y omnidireccionalrdquo[10]

Gislason[11] ZigBee permite configuracioacuten en 3 topologiacuteas diferentes las cuales son muy usadas en redes de comunicaciones la topologiacutea usada en el proyecto es la de estrella por facilidad y versatilidad

Topologiacutea de malla al menos uno de los nodos tendraacute maacutes de dos conexiones

Topologiacutea en estrella el coordinador se situacutea en el centro

ZigBee opera en bandas libres 24 GHz 868 MHz para Europa y 915 MHz para Estados Unidos

Topologiacutea en aacuterbol el coordinador seraacute la raiacutez del aacuterbol [10] Ibidem

[11] Gislason (2008) Zigbee Wireless Networking United States

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Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

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Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 30: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

31

Dentro de las caracteriacutesticas maacutes importantes de ZigBee se encuentran

La velocidad de transmisioacuten promedio es de 250 Kbps

Aumenta la confiabilidad de la red ya que entre maacutes nodos existan dentro de una red entonces mayor nuacutemero de rutas alternas existiraacuten para garantizar que un paquete llegue a su destino

Cada red ZigBee se identifica de las demaacutes redes permitiendo la existencia de varias redes ZigBee dentro de un mismo canal de comunicacioacuten

ZigBee opera en la misma frecuencia que WiFi y Bluetooth sin verse afectado su desempentildeo gracias a su baja tasa de transmisioacuten

Su topologiacutea en malla permite recuperar a la red en caso de problemas en la comunicacioacuten aumentando su confiabilidad

ldquoDentro de los dispositivos ZigBee se encuentran varios tipos de configuraciones seguacuten su funcionalidad estos tipos son

Coordinador (ZC) Debe existir uno dispositivo coordinador por red Controla la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos

Router (ZR) Hace las veces de puente Interconectando dispositivos separados en la topologiacutea de la red

Dispositivo final (ZED) Se puede comunicar con el nodo lsquosuperiorrsquo (coordinador o router) pero sin la funcioacuten de transmitir informacioacuten a otros dispositivos este nodo se mantiene dormido la mayor parte del tiempo Un ZED no requiere mayor cantidad de memoria siendo maacutes econoacutemicos que los demaacutes dispositivos ZigBeerdquo [12]

33 SENSORES

3311 Sensor de Humedad Ambiente

Sencera Co 808H5V5 humidity transmitter ldquoSensor analoacutegico que entrega un voltaje proporcional a la Humedad Ambiente del ambiente El rango de sentildeal del sensor esta fuera del rango permitido en la entrada de Waspmote por lo cual Libelium ha adaptado la salida a un rango de valores entre 048V y 234Vrdquo[13]

[12]Tomado de httpwwwzigbeeeswppage_id=6

[13] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 09

32

Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

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62

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63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

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Page 31: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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Figura 7 Sensor Humedad Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Especificaciones Teacutecnicas

Rango de medida 0 ~ 100RH

Sentildeal de salida 08 ~ 39V (25ordmC) Precisioacuten ltplusmn4RH (a 25ordmC rango 30 ~ 80) ltplusmn6RH (rango 0 ~ 100)

Consumo tiacutepico 038mA

Consumo maacuteximo 05mA

Alimentacioacuten 5VDC plusmn5

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +85ordmC

Tiempo de respuesta lt15 segundos

Dimensioacuten 122times8times4 mm

3312 Sensor de Temperatura Ambiente

Microchip MCP9700A Low-Power Linear Active Thermistor ldquoEl MCP9700A es un sensor analoacutegico que convierte un valor de temperatura en un voltaje analoacutegico proporcional El rango de tensiones a su salida se encuentra entre 100mV (-40ordmC) y 175V (125ordmC)rdquo[14]

Figura 8 Sensor Temperatura Ambiente

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[14] Ibidem paacuteg 11

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Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

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Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

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ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 32: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

33

Rango de medida -40ordmC ~ +125ordmC

Tensioacuten de salida (0ordmC) 500mV

Sensibilidad 10mVordmC

Precisioacuten plusmn2ordmC (rango 0ordmC ~ +70ordmC) plusmn4ordmC (rango -40 ~ +125ordmC)

Consumo tiacutepico 6μA

Consumo maacuteximo 12μA

Alimentacioacuten 23 ~ 55V

Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC Tiempo de respuesta 165 segundos (63 de respuesta de +30 a +125ordmC)

3313 Sensor de Humedad de Suelo

Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

ldquoEl Watermark de Irrometer es un sensor de tipo resistivo formado por dos electrodos resistentes a la corrosioacuten encapsulados bajo una capa de yeso Ofrece un meacutetodo indirecto de medicioacuten de la humedad del suelo a partir de la medida de extraccioacuten del agua en el terreno en centibares con un rango aceptable entre 0 y 200 centibares El sensor baacutesicamente es una resistencia variable lograda por dos electrodos dentro de una barrera permeable es decir que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presioacuten en centibares que a su vez se toma como indicador de un valor de humedad en el suelordquo[15]

Figura 9 Sensor Humedad de Suelo

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Rango de medida 0 ~ 200cb

Rango de frecuencia 50 ~ 10000Hz aproximadamente

Diaacutemetro 22mm

Longitud 76mm

Bornes AWG 20

Rango de medicioacuten de 0 a 239 cb (kPa)

Totalmente de estado soacutelido [15] Tomado de Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United States

34

No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

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copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 33: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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No se disuelven en el suelo

No es afectado por temperaturas bajo cero

No requiere mantenimiento

Tabla 2 Centibar vs Resistencia

Soil Water Tension (cbar) Sensor Resistance (Ohm)

0 550

9 1000

10 1100

15 2000

35 6000

55 9200

75 12200

100 15575

200 28075

Fuente Datasheet Irrometer Watermark Soil Moisture Sensor

3314 Sensor de Presioacuten Atmosfeacuterica

Motorola MPX4115A Integrated Silicon Pressure Sensor ldquoConvierte la presioacuten atmosfeacuterica en un voltaje analoacutegico de valor comprendido en un rango entre 02V y 48V Al exceder el valor maacuteximo admitido por Waspmote se ha adaptado su salida a un rango entre 012V y 288Vrdquo[16]

Rango de medida 15 ~ 115kPa

Sentildeal de salida 02 ~ 48V (0 ~ 85ordmC)

Sensibilidad 46mVkPa

Precisioacuten ltplusmn15V (0 ~ 85ordmC)

Consumo tiacutepico 7mA

Alimentacioacuten 485 ~ 535V Temperatura de operacioacuten -40 ~ +125ordmC

Temperatura de almacenamiento -40 ~ +125ordmC

Tiempo de respuesta 20ms

[16] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf paacuteg 06

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Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

63

ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 34: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

35

Figura10 Sensor Presioacuten Atmosfeacuterica

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3315 Sensor de Radiacioacuten Solar

Apogee SQ-110 Quantum Sensor ldquoPresenta una salida en tensioacuten proporcional a la intensidad de luz en el espectro visible especiacuteficamente calibrado para deteccioacuten de radiacioacuten solar Presenta un valor maacuteximo de 400mV de salida en condiciones de maacutexima radiacioacutenrdquo [17]

Responsividad 0200mV por μmolm-2s-1

Salida en radiacioacuten maacutexima 400mV (2000μmolm-2s-1)

Rango lineal 1000mV (5000μmolm-2s-1)

Sensibilidad 500μmolm-2s-1mV

Rango espectral 400 ~ 700nm

Precisioacuten plusmn5

Repetibilidad plusmn1

Diaacutemetro 24cm

Longitud del cable 3m

Temperatura de operacioacuten -40 ~ 55ordmC

Humedad de operacioacuten 0 ~ 100RH

Dimensioacuten 24 cm de diaacutemetro por 275 cm de alto

[17] Ibidem paacuteg 24

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

38

Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

39

Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

40

35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

43

1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

44

42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

45

Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

46

Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

47

Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

48

43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

49

Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

50

Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

52

Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

53

Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

54

Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

55

monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

56

CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

57

51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

58

CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

59

La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

BURGOS E FERRI S amp MALACRIDA J (sf) wwwMonografiascom Obtenido de Aporte de la Ingenieriacutea en Agrimensura a la Agricultura de Presicioacuten httpwwwmonografiascomtrabajos-pdf2aporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionaporte-ingenieria-agrimensura-agricultura-precisionpdf paacuteg31

ENCISO J PORTER D amp PEgraveRIEacuteS X (Agosto de 2007) Uso de sensores de humedad del suelo para eficientizar el riego Obtenido de txspaceditamuedu httptxspaceditamuedubitstreamhandle1969187470pdf_2437pdfsequence=1 paacuteg32

GISLASON (2008) Zigbee Wireless Networking United States paacuteg 3334

ICONTEC (Julio de 2005) ICONTEC Obtenido de httpesscribdcomdoc50564064NTC5400

Irrometer (2008) Watermark Soil Moisture Sensor mdash Model 200SS Riverside California United Statespaacuteg 38 39

MALAVER F amp VARGAS M (2012) Innovacioacuten Medicioacuten y Poliacutetica Una aproximacioacuten desde la realidad Colombiana Seminario Internacional Innovacioacuten Agropecuaria Bogotaacute

VALVERDE Jorge C lsquoEl Estaacutendar Inalaacutembrico ZigBeersquo Universidad Nacional de

Trujillo Peruacute 2007 httpwwwseccperuorgfilesZigBeepdf

wwwagriculturadeprecisionorg (2012) Obtenido de Agricultura de Precisioacuten wwwagriculturadeprecisionorg

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Agosto de 2010) wwwLibeliumcom Obtenido de Certificaciones Waspmote httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-certifications_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Waspmote Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Abril de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Agricultura 10 httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteagriculture-sensor-board_esppdf

62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 35: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

36

Figura11 Sensor Radiacioacuten Solar

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

3316 Estacioacuten Meteoroloacutegica

Libelium Comunicaciones Distribuidas [18] La conexioacuten se realiza a traveacutes de dos conectores RJ11 uno para el pluvioacutemetro y el otro compartido por la veleta y el anemoacutemetro la placa de agricultura PRO posee dos (2) entradas RJ11 hembra para su conexioacuten y toma de datos desde la estacioacuten meteoroloacutegica Anemoacutemetro ldquoEl anemoacutemetro estaacute formado por un switch normalmente abierto que se activa un tiempo cada vez que las aspas del anemoacutemetro completan un giro de modo que se obtiene a la salida una sentildeal digital de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del vientordquo [19]

Figura12 Anemoacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

[18] Ibidem paacuteg 28

[19] Ibidem paacuteg 28

37

Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

41

CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

42

41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

51

44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

60

ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

61

BIBLIOGRAFIA

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62

copy Libelium Comunicaciones Distribuidas SL (Mayo de 2012) wwwLibeliumcom Obtenido de Meshlium Xtreme Guiacutea Teacutecnica httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

64

ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

65

ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

66

ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

Page 36: AGRICULTURA DE PRECISIÓN - USTA

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Sensibilidad 24kmh vuelta

Rango de Velocidad de Viento 0 ~ 240kmh

Altura 71 cm

Longitud del brazo 89 cm

Conector RJ11

Veleta ldquoLa veleta estaacute constituida por una base que gira libremente sobre una plataforma dotada de una red de ocho interruptores conectados a ocho resistencias diferentes que permanecen abiertos normalmente y que se cierran cuando un imaacuten colocado en la base actuacutea sobre ellos lo que nos permite distinguir hasta 16 posiciones diferentes (el equivalente a una resolucioacuten de 225ordm)rdquo [20]

Figura13 Veleta

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura

89cm

Longitud 178cm

Precisioacuten maacutexima 225ordm

Rango de resistencia 688Ω ~ 120kΩ

Conector RJ11

Pluvioacutemetro

ldquoEl pluvioacutemetro estaacute formado por un vasija que cierra momentaacuteneamente un interruptor cada vez que se llena (028mm) vaciaacutendose de manera automaacutetica a continuacioacuten El resultado es una sentildeal de pulsos digitales cuya frecuencia es proporcional a la intensidad de lluviardquo [21]

[20] Ibidem paacuteg 30

[21] Ibidem paacuteg 32

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Figura14 Pluvioacutemetro

Fuente Libelium ldquoPlaca de agricultura Guiacutea teacutecnicardquo

Altura 905cm

Longitud 23cm

Capacidad del cubilete 028mm de lluvia

Conector RJ11

34 WASPMOTE

Libelium Comunicaciones Distribuidas [22] Es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores Trabaja sobre diferentes protocolos (ZigBee WiFi GPRS) a frecuencias respectivas de (24GHz 24GHz 900MHz) siendo capaz de obtener enlaces de hasta 12km con liacutenea de vista sobre protocolo ZigBee Cuenta con un modo de hibernacioacuten el cual optimiza el consumo de la bateriacutea la corriente en modo hibernacioacuten es de 07microA Libelium suministra junto con las placas el concentrador y los sensores un entorno de desarrollo (IDE) completamente Open Source (IDE + libreriacuteas + compilador) cuenta con un manual de programacioacuten ademaacutes de un foro online con ingenieros especializados facilitando la programacioacuten del Microcontrolador de la placa de Arduino

La placa Waspmote cuenta en su hardware con

Microcontrolador ATmega1281

Frecuencia 8MHz

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

FLASH 128KB

SD Card 2GB

Peso 20gr

Dimensiones 735 x 51 x 13 mm

Rango de Temperatura [-20ordmC +65ordmC] [22] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationWaspmoteWaspmote-technical_guide_esppdf

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Figura 15 Placa Waspmote

Fuente Libelium ldquoWaspmote Guiacutea teacutecnicardquo

Para evitar dantildeos provocados por mala manipulacioacuten de cualquiera de los elementos fue necesario previo a su configuracioacuten una lectura exhaustiva de los manuales y las recomendaciones a tener en cuenta estos manuales existentes en la paacutegina del fabricante Dentro de las recomendaciones encontramos las del tipo eleacutectrico Valores de Funcionamiento

Tensioacuten de bateriacutea miacutenima de funcionamiento (33 V)

Tensioacuten de bateriacutea maacutexima de funcionamiento (42V)

Tensioacuten de carga USB (5V)

Tensioacuten de carga placa solar (6 - 12V)

Corriente de carga de bateriacutea por USB (100 mA max)

Corriente de carga de bateriacutea por placa solar (280 mA max)

Tensioacuten de pila de botoacuten (3V) Valores Maacuteximos

Tensioacuten en cualquier pin (-05 V +38 V)

Corriente maacutexima por cualquier pin IO digital (40 mA)

Tensioacuten de alimentacioacuten USB (7V)

Tensioacuten de alimentacioacuten placa solar (18V)

Tensioacuten de bateriacutea cargada (42V)

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35 MESHLIUM

Libelium Comunicaciones Distribuidas [23] Meshlium es un Router Linux basado en Debian Lenny 5010 que contiene hasta 5 tecnologiacuteas diferentes Wifi 24GHz Wifi 5GHz GPRS Bluetooth y ZigBee Meshlium tambieacuten puede integrar un moacutedulo GPS para aplicaciones moacuteviles y ser alimentado a traveacutes de bateriacutea o placa solar estas caracteriacutesticas junto con su carcasa de aluminio IP65 permiten a Meshlium ser colocado en cualquier lugar exterior Meshlium viene con el Manager System una aplicacioacuten web que permite controlar de forma raacutepida y sencilla la configuracioacuten Wifi ZigBee GPRS oacute Bluetooth asiacute como las opciones de almacenamiento para los datos recibidos de los sensores

El acceso a Meshlium se puede realizar mediante 2 fuentes diferentes

1 Manager System una interfaz web que viene con Meshlium Permite controlar todas las interfaces y las opciones del sistema de una forma raacutepida y segura

2 Consola SSH para usuarios expertos que necesitan acceso directo a Meshlium mediante la consola Shell

[23] Tomado de httpwwwLibeliumcomdocumentationmesh_extremeMeshlium-technical_guide_esppdf

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CAPITULO IV

4 DEL PROYECTO

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41 COMPONENTES DEL HARDWARE Las placas Waspmote poseen hardware para la adaptacioacuten de una bateriacutea auxiliar con el fin de mantener alimentado al RTC (Real Time Clock) encargado de despertar el Microcontrolador del modo hibernate tambieacuten permite la insercioacuten de una tarjeta micro SD de maacuteximo 2Gb utilizada para el almacenamiento de datos en caso de fallos en el enviacuteo o interrupcioacuten de la alimentacioacuten del Meshlium sabiendo que este es el encargado de la recepcioacuten de datos manteniendo una peacuterdida miacutenima de informacioacuten A continuacioacuten los elementos que conforman el interior de la caja

Placa Waspmote

Placa de Agricultura

Modulo ZigBee

Antena

Bateriacutea Auxiliar 3V

Tarjeta micro SD

Bateriacutea de 37V - 6600mAh

Figura 16 Componentes de Hardware Waspmote

Fuente El Autor

El Meshlium es el elemento encargado de la recepcioacuten de la informacioacuten para su correspondiente enviacuteo a un servidor por medio de internet haciendo uso de un moacutedulo GPRS incorporado en su hardware se utilizoacute una Sim Card de la empresa la cual posee un plan de datos suficiente para el enviacuteo de la informacioacuten de forma diaria a lo largo de un mes

Dentro de los elementos que componen el Meshlium encontramos

Concentrador Meshlium

Adaptador de Alimentacioacuten

Adaptador POE LAN

2 Antenas 5dBi ndash 24GHz (WiFi - ZigBee)

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1 Antena 3dBi ndash 900MHz (GPRS)

Cable Ethernet Cruzado (Para primera configuracioacuten)

Cable Ethernet Directo (Para alimentacioacuten POE)

Figura 17 Componentes de Hardware Meshlium

Fuente El Autor

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42 CONFIGURACIOacuteN DE WASPMOTE La interfaz graacutefica del Waspmote IDE es muy sencilla de utilizar no satura de botones la parte graacutefica donde solo hace uso de lo necesario Compilar detener Nuevo Abrir Guardar Cargar al micro y la visualizacioacuten de lo que ocurre en el serial monitor Para iniciar a programar es necesario elegir que dispositivo se va a manipular paso ilustrado a continuacioacuten Figura 18 Configuracioacuten Board Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Luego de realizar la seleccioacuten de la placa Waspmote en el mismo menuacute lsquotoolsrsquo se realiza la seleccioacuten del puerto serial (COM) a utilizar (Ver figura18) Una vez hecho esto ya se puede empezar la realizacioacuten del coacutedigo

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Figura19 Configuracioacuten Serial Port Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

El coacutedigo desarrollado declara e inicializa las variables a usar de igual manera se inicializa la placa de agricultura el moacutedulo ZigBee y habilita los modos de lectura de cada sensor se leen los datos tomados por los sensores luego se ensambla la trama para su correspondiente enviacuteo Se agregoacute al programa un segmento de coacutedigo donde se permite al Waspmote ingresar al modo lsquohibernatersquo para queacute tome muestra cada 20 minutos elevando la vida uacutetil de la bateriacutea

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Figura20 Compilacioacuten Waspmote IDE

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Se realiza la compilacioacuten del coacutedigo corroborando que la sintaxis del coacutedigo sea correcta evitando cargar programas con errores al Microcontrolador del Waspmote (Ver figura 20)

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Figura21 Carga del Programa a Waspmote

Fuente Libelium Waspmote IDE V 02

Para la carga del programa al Waspmote es necesario remover la placa de agricultura y el moacutedulo ZigBee verificar que el jumper de programacioacuten se encuentre insertado permitiendo escribir informacioacuten en el Microcontrolador ademaacutes para lograr que el Waspmote entre al modo lsquohibernatersquo es necesario remover otro jumper que fue creado con el fin de permitir el ingreso a este modo

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43 CONFIGURACIOacuteN MOacuteDULO ZIGBEE

Los Moacutedulos ZigBee se pueden configurar seguacuten su aplicacioacuten como coordinador router y dispositivo final donde la configuracioacuten elegida seguacuten el requerimiento del proyecto es la de router el XBee del Gateway se configuroacute como coordinador para lograr ver los datos enviados por los Waspmote La configuracioacuten se realiza mediante el programa X-CTU programa recomendado por Libelium el cual permite cambiar los paraacutemetros de cada moacutedulo esta configuracioacuten se realiza mediante el Gateway

Figura22 Configuracioacuten Modelo ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para iniciar la configuracioacuten de los moacutedulos ZigBee se realiza la eleccioacuten del tipo del moacutedulo como se ilustra (Ver figura23) existen dentro de los dispositivos de Digicom gran variedad de modelos donde el obtenido para el proyecto es el Moacutedulo ZigBee XBP24-ZB Tambieacuten es necesario realizar la eleccioacuten de la funcionalidad final del dispositivo Coordinador Router oacute Dispositivo Final Para los moacutedulos que se integraraacuten en las placas la configuracioacuten elegida fue la de Router API (Ver figura22)

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Figura23 Configuracioacuten Funcioacuten ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Se realiza la configuracioacuten de cada paraacutemetro seguacuten el requerimiento del proyecto obteniendo un perfil que se puede guardar para la configuracioacuten del nuacutemero restante de moacutedulos

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Figura24 Configuracioacuten Final ZigBee

Fuente Digi X-CTU

Para la carga de los paraacutemetros en los moacutedulos ZigBee se presiona el botoacuten de lsquoWritersquo teniendo cuidado del puerto serial al cual estaacute conectado el Gateway evitando problemas futuros Para la configuracioacuten de los demaacutes moacutedulos se da click en lsquoLoadrsquo cargando el programa guardado previamente para luego escribirlos en el moacutedulo a configurar

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44 CONFIGURACIOacuteN MESHLIUM

441 Manager System

El Meshlium viene con una aplicacioacuten web basada en php (Hypertext Preprocessor ndash que es un lenguaje de coacutedigo abierto especialmente adecuado para desarrollo web) lenguaje de programacioacuten web libre (Manager System) desde alliacute se puede realizar la configuracioacuten de algunos paraacutemetros para el reconocimiento de tanto los Moacutedulos ZigBee como de la conexioacuten a internet mediante GPRS Al interior del Meshlium existen tres programas principales Manager System (php) ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec donde el primero es el asistente de configuracioacuten el segundo es una libreriacutea utilizada para declarar el modelo de datos que tomaraacute la base de datos y ZigbeeStorec que permite la insercioacuten de las tramas en la base de datos a continuacioacuten se genera el Query (Sentencia de insercioacuten de datos) para su insercioacuten final en la base de datos externa (MySQL) El modelo de datos para la lectura de la informacioacuten tiene una estructura como la ilustrada (Ver tabla3)

Tabla 3 Modelo de Datos

Identification Number Date MAC Variables Battery Level

Fuente El Autor

442 PuTTY (Cliente SSH)

Dentro del Meshlium hay un archivo alojado en la direccioacuten lsquomntuserManagerSystempluginsb_SensorDatab0_Capturerserverphprsquo el cual se necesito modificar para que se acoplara al modelo de datos utilizado ademaacutes se cambioacute el separador que veniacutea por defecto para lograr una mejor identificacioacuten de los datos Para lograr modificar ese archivo fue necesario ingresar al sistema por SSH (Secure Shell - protocolo que facilita las comunicaciones seguras entre dos sistemas) haciendo uso del terminal lsquoPuTTYrsquo recomendado por Libelium

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Figura25 PuTTY

Fuente El Autor

Se realizaron los cambios necesarios en los programas restantes en el Meshlium ZigbeeStoreh y ZigbeeStorec labor soportada por el ingeniero de sistemas del proyecto Jeison Hernandez - UNAL Baacutesicamente en el primer programa se antildeaden las variables a usar a la libreriacutea de Meshlium para que este pudiera reconocer las variables al ser enviadas por el Waspmote En el segundo programa el coacutedigo es un poco maacutes extenso donde se remueve el separador ademaacutes del reconocimiento de la trama y desglose de cada una de los datos guardaacutendolas en variables dentro de un archivo de Meshlium se realiza el Query para poder insertar los datos en la base de datos externa

45 BASE DE DATOS

Para el desarrollo del proyecto se hizo uso de la base de datos MySQL Server 510 y de la base de datos Microsoft SQL Server 2008 reg el fabricante dota al concentrador con la capacidad de reportar informacioacuten a un motor de base de datos en MySQL teniendo que realizar algunos cambios en los archivos que permiten la insercioacuten de los datos manteniendo una compatibilidad total con el modelo de datos establecido El modelo de datos donde se realiza el almacenamiento de la informacioacuten cuenta con dos entidades donde en una se encuentra el tipo de variable (rango de valores y nombres) y la segunda donde se encuentran las medidas tomadas por los sensores como tal esto con el fin de evitar la insercioacuten de datos considerados como basura Debido a la razoacuten social de la empresa es necesario trabajar con tecnologiacuteas de Microsoft implementando el modelo de datos establecido para la base de datos

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Microsoft SQL Server 2008 reg con el objetivo principal de realizar una faacutecil conexioacuten con la base de datos desde ASPNET El modelo de datos se mantuvo igual para

ambas aplicaciones 46 CALIBRACIOacuteN Y PRUEBAS

Para realizar la Calibracioacuten de los sensores de temperatura y humedad se realizaron una serie de pruebas donde se logroacute obtener una graacutefica ilustrando el comportamiento de los mismos tiempos de respuesta y rangos de medida Para tener un elemento de comparacioacuten se realizoacute la compra de un higroacutemetro certificado por la ONAC (Organismo Nacional de Acreditacioacuten de Colombia) la prueba consistioacute en colocar dentro de una caja de poliestireno 3 sensores uno de temperatura (dentro de la caja) uno de Humedad Ambiente (dentro de la caja) y la sonda que contiene ambos sensores (Humedad y Temperatura) que veniacutea con el Higroacutemetro (Ver figura26)

Figura26 Prueba sensores Temperatura y Humedad

Fuente El Autor

Las graacuteficas de las pruebas se pueden observar anexos al documento (Anexos B y C)

Dentro de las pruebas realizadas a los sensores de humedad del suelo se tuvo como objetivo revisar el comportamiento de los sensores al enterrar dos (2) de estos en materas con diferente humedad (Ver Figura27) donde una se saturoacute de agua (blanca) otra con algo de humedad (verde) y otra seca (roja) logrando sacar con mayor eficiencia una curva de comportamiento de los sensores tambieacuten se realizoacute la prueba con tierra totalmente seca (tratada en laboratorio)

Para esta prueba se realizaron graacuteficas del comportamiento de los sensores (Ver Anexo D) Ademaacutes se logroacute entender las unidades en que estos sensores realizaban las medidas ya que en la documentacioacuten proporcionada por el fabricante este dato no era muy claro la placa realiza las mediciones en resistencia transmitiendo las mediciones a la base de datos en frecuencia

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Figura27 Prueba sensores humedad de suelo

Fuente El Autor

47 FUNDAMENTACIOacuteN HUMANISTA

Desde el principio de los tiempos el objetivo del ser humano ha sido claro abastecer sus necesidades baacutesicas y diacutea a diacutea ir mejorando su nivel de vida consiguiendo de esta manera grandes adelantos e incursiones en diferentes aacutereas de conocimiento es por esta razoacuten que el principal objetivo de un profesional de la Universidad Santo Tomas es brindar soluciones a cada una de las necesidades yo problemaacuteticas de su entorno basaacutendose en cada uno de los conocimientos adquiridos durante su desarrollo profesional es asiacute como el desarrollo de un sistema de agricultura de precisioacuten para la poblacioacuten de Sutamarchaacuten se convierte en una ejemplificacioacuten de esta tesis ya que al hacer uso de cada uno de los conocimientos adquiridos durante la etapa de formacioacuten universitaria en pro de dar solucioacuten a los diferentes inconvenientes que pueden afectar a un cultivo se presenta claramente la posibilidad de beneficiar no solo al agricultor sino al cliente final

En este punto es indispensable recalcar la labor de la ingenieriacutea electroacutenica no solo en el campo de la automatizacioacuten sino tambieacuten en el campo de las telecomunicaciones ya que gracias a esta aacuterea de conocimiento ha sido posible realizar enlaces de comunicacioacuten entre distancias increiacutebles ademaacutes de almacenamiento de cantidades enormes de informacioacuten avances que han permitido la creacioacuten de diferentes aplicaciones de caraacutecter general para diferentes disciplinas Partiendo de estos importantes avances tecnoloacutegicos se desarrolla una solucioacuten a los diferentes inconvenientes presentados en el campo agriacutecola haciendo uso de los diferentes recursos presentados por la ingenieriacutea tales como dispositivos de telecomunicaciones sensores software entre otros llamada agricultura de precisioacuten por medio de la cual el profesional en ingenieriacutea electroacutenica puede prestar servicios de

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monitoreo y procesos de optimizacioacuten de recursos del cultivo obteniendo mejoras considerables en la calidad del producto final ya que este modelo se basa en la informacioacuten recolectada por dispositivos electroacutenicos ademaacutes de ser necesario tener un historial detallado de la variabilidad del cultivo En Colombia aunque existen muy pocas las entidades que hacen uso del modelo de Agricultura de Precisioacuten para el cuidado de los cultivos se han obtenido muy buenos resultados en este campo lo que permite que el sector agriacutecola crezca en forma considerable creando beneficios no solo para el productor si no tambieacuten para el usuario final de esta manera es posible determinar que la agricultura de precisioacuten trae beneficios a las grandes empresas y a los pequentildeos agricultores que dependen econoacutemicamente de esta actividad adicional beneficios al consumidor ya que al lograr obtener cosechas maacutes generosas y en menor tiempo se logra una disminucioacuten en el precio de comercializacioacuten del producto y como valor agregado el consumo de un producto de calidad logrando cumplir con la demanda de calidad y cantidad impuesta por el mercado De esta manera es posible resaltar la labor del profesional en ingeniera electroacutenica en este proyecto ya que ademaacutes de desarrollar una solucioacuten oacuteptima para los diferentes inconvenientes que se pueden presentar en un cultivo tambieacuten logra por medio de su labor satisfacer las necesidades de la comunidad en general presentando una nueva alternativa econoacutemica y eficaz para mejorar la calidad de los productos de consumo diario en un hogar

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CAPITULO V

5 VALOR AGREGADO Y

PROYECTOS A FUTURO

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51 APLICACIOacuteN WEB

El siguiente paso de Exsis Software y Soluciones para el proyecto de Agricultura de Precisioacuten es la creacioacuten de una aplicacioacuten WEB donde se generaraacuten reportes alertas y recomendaciones ademaacutes de las graacuteficas correspondientes de cada uno de los sensores y sus cajas sectorizando la informacioacuten dentro del cultivo la aplicacioacuten se prestaraacute como un servicio y seraacute administrada por Exsis Software y Soluciones esta fase del proyecto a la fecha se encuentra en desarrollo labor netamente soportada por los ingenieros de Sistemas del Proyecto

52 AUTOMATIZACIOacuteN

Para una fase 2 del proyecto se tiene el propoacutesito de implementar un sistema de automatizacioacuten del control de algunas de las variables (las maacutes importantes) Temperatura Ambiente Humedad Ambiente y Humedad del Suelo Con esto se lograriacutean cosechas de mayor calidad en menor tiempo para el control de temperatura se hace uso de cortinas las cuales se moveriacutean con motores paso a paso manteniendo la temperatura oacuteptima se ha empezado a disentildear un sistema de automatizacioacuten de Humedad Ambiente para cultivos que cuenten con riego por aspersioacuten Otro de los propoacutesitos del proyecto a largo plazo es el disentildeo de un placa similar al Waspmote y una tarjeta de adquisicioacuten de datos que permita integrar otros sensores teniendo como base los sensores usados en los cuartos friacuteos estas placas se disentildeariacutean basadas en Arduino Para el aumento en la autonomiacutea del sistema se tiene como idea base alimentar el concentrador con energiacutea renovable como lo es la solar aprovechando que las condiciones climaacuteticas son favorables para la instalacioacuten de este equipo

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CONCLUSIONES

El proyecto de Agricultura de Precisioacuten desarrollado e implementado por Exsis Software y Soluciones fue consecuencia de la necesidad de llevar la tecnologiacutea a sectores donde maacutes se necesita como lo es el sector agriacutecola siendo este producto dirigido principalmente a los pequentildeos agricultores que no posean los recursos de las grandes productoras de alimentos de siembra ademaacutes de beneficiar de forma directa al consumidor final brindaacutendole productos de mejor calidad en menor tiempo

Se disentildeoacute e implementoacute un sistema de adquisicioacuten de datos aprobado por Caacutemara de Comercio dentro de los proyectos de innovacioacuten apoyados por la misma entidad el sistema al momento de ser implementado evidencioacute una mejor lectura del comportamiento del cultivo y del clima en la zona de la finca aumentando para el final de cosecha un aproximado del 5 de los productos recolectados en buen estado para su comercializacioacuten ademaacutes de mejorar las competencias de los encargados de la finca teniendo en cuenta que debieron ser capacitados para el manejo de los sensores concentrador y del software que Exsis Software amp Soluciones desarrolloacute para la administracioacuten de la finca

La comunicacioacuten mediante protocolo ZigBee presenta grandes ventajas al permitir la conexioacuten entre dos dispositivos con un gasto de energiacutea aproximado de 07microA en modo hibernate siendo su consumo habitual de 3mA en estado de reposo aumentando la vida uacutetil de la bateriacutea en aproximadamente dos semanas manteniendo un sistema autoacutenomo por maacutes tiempo disminuyendo costos ya que para realizar el cambio de bateriacutea es necesario desplazarse hasta la finca con todo lo que conlleva un viaje de Bogotaacute a Sutamarchaacuten contribuyendo a la optimizacioacuten de recursos de caraacutecter energeacutetico y econoacutemico adicional permite mantener un enlace de comunicacioacuten estable y a distancias apropiadas para la instalacioacuten en cultivos de grandes dimensiones (100m2) comprobando asiacute que el uso de este protocolo es la mejor alternativa para la implementacioacuten de este modelo de agricultura

El sector agriacutecola evidencia muchos retos por esta razoacuten la tecnologiacutea desarrollada para este sector debe ser robusta y de bajo costo permitiendo que sea asequible para cualquier agricultor aunque se pueden encontrar numerosas referencias teoacutericas de la aplicacioacuten de las tecnologiacuteas de las telecomunicaciones en la agricultura en el campo practico la implementacioacuten es muy poca para pequentildeos agricultores ciertamente por los costos que este tipo de meacutetodos puede alcanzar sin embargo gracias a los nuevos avances en la tecnologiacutea y los nuevos desarrollos de software alcanzados en los uacuteltimos tiempos se ha logrado que los pequentildeos agricultores puedan tener este tipo de tecnologiacutea en sus cultivos

Los conocimientos baacutesicos en programacioacuten obtenidos durante el proceso de pregrado fueron fundamentales a la hora de desarrollar el coacutedigo utilizado dentro del proyecto ya que permitioacute el desarrollo en menor tiempo del mismo ademaacutes la colaboracioacuten de los ingenieros de sistemas fue muy importante

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La implementacioacuten del proyecto de Agricultura de Precisioacuten y el eacutexito obtenido evidenciado en los resultados da a entender que el siguiente paso para la optimizacioacuten de recursos y modernizacioacuten del sector agriacutecola estaacute en la tecnologiacutea logrando una relacioacuten entre la ingenieriacutea y la agricultura donde ambas se veraacuten beneficiadas

La Agricultura de Precisioacuten se caracteriza por realizar un monitoreo constante de los cultivos por este motivo se hace necesario llevar un historial de la informacioacuten obtenida por los sensores para mayor facilidad se realizoacute dentro de la aplicacioacuten web unas graacuteficas donde se evidenciaba el estado del cultivo separados por cajas permitiendo mantener las plantas en una temperatura ideal para su crecimiento

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ACLARACIOacuteN

Por motivos sujetos al reacutegimen de proteccioacuten de propiedad intelectual no es posible revelar en este documento el coacutedigo utilizado durante el desarrollo del proyecto

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ANEXOS

ANEXO A Esquema General Proyecto Agricultura de Precisioacuten

Fuente El Autor

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ANEXO B Prueba Sensor Temperatura Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO C Prueba Sensor Humedad Ambiente

Fuente El Autor

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ANEXO D Prueba Sensor Humedad de Suelo

Fuente El Autor

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