Universidad Nacional de Colombia, febrero 14 de 2013Resumen Ejecutivo de Trabajo de Grado de Pregrado

Caracterizacion del Comportamiento de unaColmena Apcola, Mediante el Analisis de Senalesde Vibracion MecanicaAngela Patricia Alzate Giraldo1*, David Antonio Montoya Morales1*, Johan Sebastian EslavaGarzon Ph.D1*

ResumenEste informe presenta el desarrollo del proyecto de investigacion titulado Caracterizacion del comportamiento de una colmenaapcola mediante el analisis de senales de vibracion mecanica, realizado en el grupo de investigacion de Microelectronica(GMUN), en colaboracion con el Grupo Apcola de la Universidad Nacional de Colombia (GAUN) y financiado por la Direccionde Investigacion Sede Bogota (DIB). En este trabajo se caracteriza el comportamiento de una colmena mediante la mediciony el analisis de las senales sonoras producidas por las vibraciones corporales de las abejas. Las pruebas y medicionesfueron realizadas entre Febrero de 2012 y septiembre de 2013 en una colmena ubicada en el apiario del Centro AgropecuarioMarengo (CAM) de la Universidad Nacional de Colombia. El documento inicia con el planteamento del problema seguido delprocedimiento para adquirir las senales, los resultados obtenidos, las conclusiones y el trabajo futuro de la investigacion.

1Departamento de Ingeniera Electrica y Electronica, Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional de Colombia, Bogota.*: apalzateg@unal.edu.co, damontoyam@unal.edu.co, jseslavag@unal.edu.co

1. Planteamiento del problema

Los distintos comportamientos que se presentan en las co-lonias de abejas como el enjambrazon, o aquellos producidospor ataque de otros insectos o animales, espacio inadecuadodel nido, incendios, lluvias, temperaturas extremas y escasezde nectar y polen, constituyen una de las mayores preocupa-ciones de los apicultores en Colombia y en todo el mundo[1].

La deteccion tradicional de estos comportamientos anor-males de una colmena de abejas, esta sujeta a errores detipo humano que pueden provocar perturbaciones y perdidade individuos, reduciendo considerablemente la produccionapcola[2].

Esta es la razon por la cual se desea caracterizar el compor-tamiento de las abejas, analizando las vibraciones mecanicasproducidas por su actividad, mediante un sistema electronicode medicion.

2. Objetivos

General Caracterizar comportamientos de una colmenamediante el analisis de senales obtenidas a traves de sensoresde vibracion mecanica.Especficos

1. Identificar los comportamientos mas representativosque pueden tener las abejas de una colmena.

2. Seleccionar el metodo adecuado para analizar y proce-sar las senales de vibracion mecanica obtenidas.

3. Caracterizar los comportamientos representativos iden-tifcados en funcion de las senales de vibracion mecanicaobtenidas.

4. Disenar e implementar el ambiente de monitoreo delsistema que permita la interaccion con el usuario y lavisualizacion de la informacion.

3. Identificacion de Comportamientos yprotocolo de medicion

El desarrollo del proyecto inicia con la identificacion delos comportamientos mas importantes, que segun los apiculto-res requieren ser caracterizados:

1. Comportamiento en condiciones normales. Reina enpostura: conocer el estado de una colmena saludablepermite realizar comparaciones con estados anormales.

2. Orfanizacion o ausencia de reina: la reina es el principalindividuo, y sin esta no hay regulacion de la actividadde la colmena.

Despues de definir los comportamientos principales a ca-racterizar, se establece el siguiente protocolo de medicion:

1. Condiciones normales (2 semanas): Medir la de vibra-cion de la colmena en condiciones normales. Reina enpostura.

2. Orfanizacion de la colmena (3 semanas):a) Retirar la reina y medir la vibracion de la colmena

durante 24 horas.b) Introducir la reina y medir de nuevo por 24 horas.

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4. Sistema de MedicionPara medir los comportamientos definidos en la seccion 3,

se parte de un sistema de medicion desarrollado en el ano 2012en el grupo GMUN[3]. En la Figura 1 se puede observar encolor azul la arquitectura de este modulo que esta conformadopor:

1. Alimentacion. Bateria de litio de 3.7 - 850 mA quebrinda una autonoma de 4 horas.

2. Tarjeta de Desarrollo Chumby Hacker Board (CHB).Esta tarjeta de desarrolla con linux embebido adquierela senal del acelerometro a una frecuencia de mues-treo de 22050 Hz, la codifica con PCM de 16 bits consigno, y genera un archivo de extension .wav que pos-teriormente almacena en un medio de almacenamientomasivo USB.

3. Teclado Matricial y LCD. El usuario ingresa medianteel teclado matricial la fecha, la duracion e intervalos decada grabacion que, a su vez pueden ser visualizadosmediante el display LCD de 2x16.

Figura 1. Arquitectura del modulo de adquisicion: En azul laarquitectura anterior, en Rojo los elementos agregados.

Se considero que era necesario agregar un sensor de audio(Microfono Electret) al modulo de medicion (Figura 1 enRojo) para realizar comparaciones con el acelerometro. Por lotanto, se activo el modo de grabacion estereo, en donde cadacanal corresponde al acelerometro MMA7361 y al microfonoelectret respectivamente.

5. Prueba de verificacion en LaboratorioPara realizar la prueba de verificacion del sistema en el

laboratorio se reproduce, a traves de dos parlantes, un tonode 200 Hz generado en el programa libre de audio Audacity.Estos parlantes son unidos a los costados de un cuadro decra nuevo, que a su vez tiene dispuesto el acelerometro yel microfono para medir la vibracion mecanica y acusticaproducida por los parlantes. Este montaje se muestra en laFigura 2.

Figura 2. Montaje en laboratorio

La senal estereo obtenida es analizada en MATLAB R,hallando la transformada de Fourier por cada canal como semuestra en la Figura 3:

Figura 3. Transformada de Fourier de la senal obtenida(Microfono y Acelerometro)

Se observa que ambos sensores detectan la frecuencia dela senal reproducida de 200 Hz, ademas de ruido electrico de30 y sus armonicos.

Al finalizar la prueba de verificacion del modulo en ellaboratorio, se decide alimentar el sistema con una batera de12 V - 18 Ah ya que brinda una autonoma de 4 das.

6. Prueba de verificacion en Campo

Se realizan 3 pruebas principales de verificacion en elCentro Agropecuario Marengo.

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6.1 Medicion en la ColmenaEn la primera visita al Centro Agropecuario, se ubica el

sistema mejorado en la colmena a estudiar, tal como se indicaen la figura 4.

Figura 4. Disposicion del sistema en colmena tipo Langstroth

La senal estereo es analizada en MATLAB Rmediantela transformada de Fourier y se obtienen las graficas para elacelerometro (Figura 5) y el microfono (Figura 6).

Figura 5. Senal Acelerometro (Canal 1) en el dominio de Tiempoy Frecuencia

Debido a que el acelerometro MMA7361 no es lo sufi-cientemente sensible para detectar las vibraciones corporalesproducidas por las abejas se descarta para ser utilizado en lacaracterizacion del comportamiento de la colmena, y unica-mente se utilizan las senales obtenidas a traves del microfono.

Figura 6. Senal Microfono (Canal 2) en el dominio de Tiempo yFrecuencia

6.2 Medicion de ruido de ambienteSe ubica el sistema de medicion a 20 m del apiario para

medir el ruido de ambiente conformado principalmente por:Fuertes vientos, ruido de aviones y movimiento de arboles.La grabacion es analizada nuevamente en MATLAB Ry sutransformada de Fourier se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Espectro del ruido ambiental

Se observa que el ruido del entorno tiene frecuencias quevan desde 0 hasta 50 Hz.

6.3 Medicion del vuelo de las abejasSe realiza una grabacion con la colmena abierta y abejas

en vuelo. Su transformada de Fourier se muestra en la Figura8.

Se observa que las frecuencias del sonido producido porel vuelo de las abejas van de 200 a 300 Hz aproximadamente.

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Figura 8. Espectro del sonido de abejas en vuelo

7. Identificacion de Bandas en senal deAudio

Las senales obtenidas en la seccion 6.1 tienen una formacaracterstica (Ver Figura 9) que al compararla con las senalesadquiridas en las pruebas de Ruido Ambiental y vuelo, sepueden identifican 3 bandas mas representativas.

Banda 1: Ruido Ambiental

Banda 2: Actividad de las abejas y por lo tanto es labanda que se utiliza para la caracterizacion.

Banda 3: Vuelo de las abejas.

Al definir estas tres bandas principales y sus parametroscaractersticos (lmites, valores de frecuencia con picos maxi-mos), se procede a escribir el algoritmo de analisis.

8. Procedimiento de analisisPara llegar a la obtencion de resultados, se realizo el pro-

cedimiento de analisis que se ve en la Figura 10.

Figura 10. Diagrama de Flujo de Procedimiento

En cada visita al Centro Agropecuario Marengo se re-viso el estado de la colmena y de los sensores, se cambio la

batera y se recogio la informacion que, posteriormente fueanalizada siguiendo el siguiente procedimiento:

Utilizando MATLAB R:

1. Lectura de los archivos de audio grabados.2. Hallar valor RMS.3. Calcular Transformada de Fourier.4. Hallar envolvente de Transformada de fourier.5. Calcular con la envolvente los lmites de las bandas de

frecuencia y sus picos maximos en frecuencia.

Utilizando Excel R:1. Promedios por hora del valor RMS, bandas de frecuen-

cia y sus picos maximos.2. Comparacion del valor RMS con valores de radiacion

solar obtenidos de la base de datos de METOS Rmedidosen el Centro Agropecuario Marengo .

Finalmente, se crea una Interfaz Grafica de Usuario (GUI)en MATLAB R, que le permite al usuario visualizar la senalde audio en el tiempo y en frecuencia, almacenando a cadahora la informacion en una hoja de calculo en MS EXCEL R.Si la senal es muy ruidosa para ser analizada por el programa,este indica que debe ser analizada manualmente.

9. Resultados y analisis de resultados

Los resultados obtenidos al seguir el procedimiento deanalisis descrito en la seccion 8 son los siguientes:

1. Valor RMS promediado por hora

Promediando los valores RMS por horas, se puede ha-llar un patron de comportamiento de la colmena (Figura11).

Figura 11. Valores de actividad diaria promedio

Se puede observar que la ausencia de reina provoca undescenso en la intensidad de las vibraciones de las abe-jas, es decir, la colmena disminuye significativamentesu actividad promedio en aproximadamente un 22%.

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Figura 9. Bandas de Frecuencia en el espectro

Figura 12. Valores de actividad diaria promedio comparadacon la radiacion solar

2. Valor RMS promediado por hora comparado conla radiacion solarYa que se cuenta con el valor promedio de la radiaciona lo largo del da, se compara este valor con el valorRMS promediado por horas (Figura 12).

Se puede observar que hay una relacion entre la acti-vidad diaria promedio y los valores de radiacion solar.Sin embargo, esta relacion no es excluyente, es decir, endas nublados la actividad no bajara significativamentedebido a la elevada sensibilidad ocular de las abejas [4].

3. Bandas de frecuencia relacionadas con la hora deldaSe analizan los lmites de la bandas de frecuencias en

donde se encuentra la mayor parte de la informacion(Figura 13).

Figura 13. Bandas de frecuencia por horas, seguncomportamiento estudiado

La banda de frecuencia en donde se encuentra la mayorcantidad de informacion tiene un notorio corrimientohacia frecuencias mas bajas cuando se ha extrado lareina de la colmena. Este corrimiento promedio es deaproximadamente 13 Hz.

4. Frecuencias de pico maximos relacionadas con lahora del daDistribucion de las frecuencias en donde se encuentranlos picos maximos de potencia en un promedio horariopor comportamiento (Figura 14).

Analizando las lneas de tendencia por cada curva sepuede decir que cuando se retira la reina durante 24

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Figura 14. Picos de frecuencia por horas, seguncomportamiento estudiado

horas, los picos maximos disminuyen en frecuenciaaproximadamente 6 Hz. Un da despues de introducidala reina, los picos maximos en frecuencia aumentan 1Hz relativo a los valores de remocion de reina.

10. ConclusionesLa metodologa de analisis utilizada en esta investiga-cion es valida para caracterizar la actividad de todo tipode colmenas y de familia de abejas.

El tiempo total de estudio y medicion de la vibracionde las abejas es suficiente para la caracterizacion decolmenas que se encuentran en el tropico, ya que lascondiciones climatologicas en esta region son constan-tes y no varan significativamente a lo largo del ano.

El valor maximo RMS se presenta entre la 1 PM y las4 PM de la tarde, es decir, en este horario se presenta laactividad maxima diaria promedio.

La segunda banda de frecuencia es la que suministrala informacion mas significativa acerca de la actividadde la colmena, ya que la primera banda de frecuenciacorresponde al ruido ambiental, y la tercera banda defrecuencia esta ligada a las frecuencias de aleteo de lasabejas en vuelo.

La tercera banda de frecuencia se hace evidente entrela 1 PM y las 4PM que es el horario en donde se da elvalor RMS maximo o actividad maxima diaria.

El desplazamiento de los valores picos del espectrohacia frecuencias mas altas es el parametro mas sig-nificativo para diagnosticar la ausencia de reina en lacolmena, ya que el valor RMS puede ser afectado noto-riamente por factores ambientales y del entorno.

11. Trabajo futuroEl comportamiento de las abejas es un tema extenso que

debe ser estudiado a profundidad. Por esto, se desea dejar estetrabajo como una base para desarrollos futuros que comple-menten esta investigacion:

Analizar las senales mediante otros metodos como elAnalisis de Componente Principal (PCA), transformadade Wavelet, algoritmos de comparacion, correlacion yanalisis de tiempo-frecuencia.

Se puede reducir el tamano del archivo de audio de lasiguiente manera: disminuyendo la frecuencia de mues-treo a 6kHz, considerando que la frecuencia maxima delas senales adquiridas no superan los 1000 Hz; cambian-do la codificacion PCM a 8 bits con signo; y realizandograbaciones monocanales (Microfono unicamente) de2 minutos.

Aunque se haya preferido el uso de MATLAB Rcomosoftware principal de analisis y procesamiento de senales,existen herramientas libres que permiten llegar a resul-tados similares. Octave es una gran alternativa, ya quesu entorno de programacion es identico a MATLAB R,y la mayora de los toolboxes de analisis de senales quese encuentran en internet, han sido compilados para losdos programas.

Referencias[1] Curso Interactivo de Apicultura para To-

doshttp://www.virtual.unal.edu.co[2] Entrevistas realizadas a Omar Avila y Julian Duque, api-

cultores del Centro Agropecuario Marengo.[3] D. A. Cuello, G. Becerra, Desarrollo e implementacion de

un sistema de instrumentacion para senales de vibracion enuna colmena apcola, B.Sc theses, Universidad Nacionalde Colombia, 2012.

[4] Programa Nacional para el Control de la Abeja Africa-na:Manual de polinizacion apcola, SECRETARIA DEAGRICULTURA, GANADERIA, DESARROLLO RU-RAL, PESCA YALIMENTACION, Estados Unidos Mexi-canos.