TESIS acp v2 - educacion.gob.es
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UNIVERSIDAD DE ALMERÍA TESIS DOCTORAL Programa de doctorado: Tecnología de Invernaderos e Ingeniería Industrial y Ambiental Departamento de Ingeniería Monitorización de variables agronómicas mediante tecnologías inalámbricas Autor: D. Alejandro Cama Pinto Directores: Dr. D. Francisco Gil Montoya Dr. D. Julio Gómez López Dr. D. Francisco Rogelio Manzano Agugliaro. Almería, Febrero 2013
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UNIVERSIDAD DE ALMERÍA
TESIS DOCTORAL
Programa de doctorado: Tecnología de Invernaderos e Ingeniería Industrial y Ambiental
Departamento de Ingeniería
Monitorización de variables agronómicas
mediante tecnologías inalámbricas
Autor: D. Alejandro Cama Pinto
Directores: Dr. D. Francisco Gil Montoya Dr. D. Julio Gómez López
Dr. D. Francisco Rogelio Manzano Agugliaro.
Almería, Febrero 2013
AUTORIZACION DEL DIRECTOR DE LA TESIS Versión 02/12/10
PRESIDENCIA DEL ORGANO RESPONSABLE DEL PROGRAMA DE DOCTORADO
Vicerrectorado de Postgrado y Formación Continua Centro de Estudios de Postgrado
TESIS DOCTORAL Título Monitorización de variables agronómicas mediante tecnologías inalámbricas Doctorando/a Alejandro Cama Pinto Programa Doctorado Programa de doctorado: Tecnología de Invernaderos e Ingeniería Industrial y
Ambiental Director/a Francisco Gil Montoya Co-Dirección Julio Gómez López Co-Dirección Francisco Rogelio Manzano Agugliaro AUTORIZACION DEL DIRECTOR/ES DE LA TESIS El/los Director/es de la Tesis arriba mencionada AUTORIZA el depósito y la presentación de la misma para su defensa y mantenimiento. Y con esta fecha se remite la presente comunicación Almería, a 20 de Febrero de 2013 Firmado
Francisco Gil Montoya DIRECTOR/A
Firmado
Julio Gómez López Co-DIRECTOR/A
Firmado
Francisco Manzano Agugliaro Co-DIRECTOR/A
Código Seguro de verificación:wNjCpktk8dA8RlRyG/lGwg==. Permite la verificación de la integridad de unacopia de este documento electrónico en la dirección: https://verificarfirma.ual.es/verificarfirma/
Este documento incorpora firma electrónica reconocida de acuerdo a la Ley 59/2003, de 19 de diciembre, de firma electrónica.
FIRMADO POR Francisco Gil Montoya FECHA 26/02/2013
ID. FIRMA blade39adm.ual.es wNjCpktk8dA8RlRyG/lGwg== PÁGINA 1/1
wNjCpktk8dA8RlRyG/lGwg==
A mi abuelita Zoila Severa Bobadila Ocampo de Pinto.
A Dora y Etelvina por haberme inculcado el conocimiento de la vida en su lucha díaria.
A mi hermana que me superará.
AGRADECIMIENTOS
Estoy muy agradecido a mis directores, el Dr. Julio Gómez López por haberme
enseñado el camino en la consecución del doctorado y por su incondicional apoyo en
todo este tiempo, al Dr. Francisco Manzano Agugliaro, por su aliento, conducción a lo
largo de este proceso, compartir conmigo su amplia experiencia en la investigación
científica, y por su amistad, al Dr. Francisco Gil Montoya por todo su apoyo y
asesoramiento.
Agradezco también el apoyo financiero del Ministerio de Educación, Cultura y
Deportes del Reino de España al haber formado parte del proyecto de investigación
“Estudio para la sostenibilidad económica y medio ambiental en la planificación,
construcción y mantenimiento de campos de golf en clima mediterráneo” que ha sido
fundamental para poder llevar a cabo el desarrollo de la presente tesis.
A Alfredo Alcayde García por su tiempo y apoyo en la comunicación de los sensores de
suelo con las motas TelosB.
A la Universidad de Almería (UAL) y en especial a todos los que forman parte del
departamento Ingeniería Rural y de la Escuela Politécnica Superior por haber hecho mi
estancia muy grata en la bella ciudad de Almería.
I
Índice CAPÍTULO 1 ................................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................. 1
1.1 Introducción............................................................................................................ 2
1.2 Objetivos................................................................................................................. 9
CAPÍTULO 2 ................................................................................................................. 11
ANTECEDENTES ......................................................................................................... 11
2.1 Importancias en las zonas de despliegue .............................................................. 12
2.1.1 Despliegue de corta cobertura- Ejemplo de estudio: Invernaderos en Almería
................................................................................................................................ 12
2.1.2 Despliegue de mediana cobertura- Ejemplo de estudio: Campos de golf de
clima mediterráneo................................................................................................. 16
2.1.3 Despliegue de amplia cobertura- Ejemplo de estudio: La Amazonía peruana.
................................................................................................................................ 19
2.2 Las redes de sensores inalámbricos (WSN) ......................................................... 23
2.2.1 6LoWPAN ...................................................................................................... 24
2.2.2 Enrutamiento ................................................................................................. 27
2.2.3 Coexistencia entre 802.15.4 y 802.11 ........................................................... 28
2.2.3 El Sistema operativo TinyOS ......................................................................... 30
2.3 Trabajos relacionados ........................................................................................... 35
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................. 38
MATERIAL Y MÉTODOS ........................................................................................... 38
3.1 Hardware .............................................................................................................. 39
3.1.1 La plataforma de los nodos sensores ........................................................... 39
3.1.2 El Servidor Sheevaplug ................................................................................. 50
3.1.3 La placa Alix - SBC (Single-board computer)............................................... 51
3.2 Software................................................................................................................ 53
II
3.2.1 El nodo Sumidero .......................................................................................... 53
3.2.2 Los Nodos Sensores ....................................................................................... 53
3.2.3 El servidor ..................................................................................................... 57
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................. 61
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS ..................................................... 61
4.1 El despliegue de la WSN en corta distancia: Sistema de monitorización aplicado a
la agricultura intensiva. .............................................................................................. 62
4.2 El despliegue de la WSN en el campo de golf ..................................................... 86
4.2.3 Posicionamiento de los nodos sensores sobre el campo de golf. .................. 96
4.2 4 Descripción del hardware ........................................................................... 101
4.2 5 Descripción del software ............................................................................. 103
4.3 El despliegue de la WSN en la Amazonía peruana. ........................................... 112
4.3.1 Antecedentes ................................................................................................ 112
4.3.2 Escenario ..................................................................................................... 113
4.3.3 Diagrama de escenario para las comunicaciones ...................................... 118
4.3.4 Arquitectura................................................................................................. 119
4.3.5 La capa “WSN”........................................................................................... 120
4.3.6 Capa de transporte ...................................................................................... 121
4.3.7 Capa de Servidores...................................................................................... 121
4.3.8 Ahorro de energía........................................................................................ 123
4.3.9 Coexistencia entre 802.15.4 y 802.11 ......................................................... 124
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................... 127
CONCLUSIONES........................................................................................................ 127
CAPÍTULO 6 ............................................................................................................... 132
REFERENCIAS ........................................................................................................... 132
III
ÍNDICE FIGURAS
Figura 1: Historial publicaciones sobre la tecnología inalámbrica (Scopus, 2013). ....... 2
Figura 2: Historial publicaciones en el área de la WSN (Scopus, 2013)......................... 3
Figura 3: Curva del historial de publicaciones que relacionan la WSN con la agricultura
entre los años 2004 – 2012 (Fuente: Scopus). .................................................................. 4
Figura 4. Lista de países ordenados por número de publicaciones que relacionan la
WSN con la agricultura entre los años 2004 – 2012 (Fuente: Scopus). ........................... 5
Figura 5: Abstracción del hardware para una mota. ........................................................ 6
Figura 6: Visión del Internet de las Cosas IoT (Shelby y Bormann, 2009)..................... 9
Figura 7: Mapa mostrando la alta densidad de invernaderos en Almería (Fuente:
Google Earth). ................................................................................................................ 13
Figura 8. Riego por aspersión en “Alboran Golf” (Almería). Riego de mantenimiento.
........................................................................................................................................ 19
Figura 9. Desde la torre de comunicaciones de la red del Napo, a 72 metros de altura en
la localidad de Santa Clotilde. ........................................................................................ 20
Figura 10. Router inalámbrico de la red WiFi del Napo (Camacho, 2009)................... 21
Figura 11. Izquierda, desde el rio Napo de una de las torres de comunicación. Derecha,
sobre la torre, al lado de los paneles solares................................................................... 22
Figura 12. La red WiFi del Napo (450 km) (Wikipedia, 2013a). .................................. 22
Figura 13. Conectividad entre “Simple LoWPAN”, “Extended LoWPAN” y Ad-hoc
LoWPAN (Shelby y Bormann, 2009). ........................................................................... 26
Figura 14. La pila de protocolos IP y 6LoWPAN (Shelby y Bormann, 2009)............ 27
Figura 15. LR-WPAN no se superpone a la asignación de canales WiFi (Jennic, 2008).
........................................................................................................................................ 30
Figura 16. Los comandos y eventos en una Inteface (Levis y Gay, 2009). ................... 34
Figura 17. El modelo de compilación de NesC (Levis y Gay, 2009). ........................... 35
Figura 18. Imagen de una mota “CM5000-SMA” indicando sus partes. ...................... 39
Figura 19. Diagrama de bloques de la mota CM5000-SMA (ADVANTIC, 2010)....... 41
Figura 20. Exactitud de los sensores de a) humedad relativa a la izquierda y b)
temperatura a la derecha. (Sensirion, 2011). .................................................................. 43
IV
Figura 21. Nivel de luz incidente Vs Corriente de salida (Hamamatsu, 2001). ............. 44
Figura 22. Sensor de suelo Decagon EC-20. ................................................................. 46
Figura 23. El sensor de suelo conectado a uno de los nodos TelosB de la WSN. Arriba
en el laboratorio. Abajo en el campo.............................................................................. 47
Figura 24. Sensor de suelo Decagon 5TE (Decagon, 2013b). ....................................... 48
Figura 25. Interface del sensor de suelo 5TE para su trabajo conjunto con la mota
TelosB (ASU, 2013). ...................................................................................................... 49
Figura 26. Protección de una mota. ............................................................................... 49
Figura 27. El servidor “Sheevaplug” con su conexión USB al nodo sumidero (la mota
TelosB), el cable de red para su acceso a Internet, una memoria SD que almacena los
datos de la Base de Datos y el cable de alimentación. A modo de comparación se
muestra una moneda de 5 céntimos de euro. ................................................................. 50
Figura 28. Imagen de una placa alix2c0 (PC,2013a). .................................................... 52
Figura 29. Puertos ADC (color naranja) disponibles en la mota TelosB ...................... 55
Figura 30. Arquitectura propuesta. ................................................................................ 65
Figura 31. El sensor de suelo trabajando en el interior del invernadero........................ 68
Figura 32. Vista frontal del servidor Sheevaplug con su puerto USB y LAN trabajando.
........................................................................................................................................ 69
Figura 33. Disposición del nodo sumidero (color rojo) y nodos sensores (color verde)
en un invernadero de 10.000 m2 ..................................................................................... 70
Figura 34. Tabla con los valores registrados en el invernadero..................................... 74
Figura 35. Curva de medición para la temperatura........................................................ 75
Figura 36. Configuración de los valores umbrales para el sensor de suelo EC-20,
observese que los valores pueden ser modificados sobre la misma tabla. ..................... 76
Figura 37. Ubicación de los nodos sobre el mapa, de color verde indica están operando
con normalidad, de color rojo con alarmas activas. ....................................................... 77
Figura 38. Muestras de LPL recogidas desde una mota monitora................................. 79
Figura 39. Tiempo del CCA - aproximadamente 20ms................................................. 79
Figura 40. Tiempo de ~300 ms mientras se transmite información. ............................. 80
Figura 41. Partes de un campo de golf (cuadro 3) (Wikipedia, 2013b)......................... 88
Figura 42. Vista de una calle “Alboran golf”, en fase de construcción del campo, Tee 1.
........................................................................................................................................ 89
Figura 43. Vista de una calle “Alboran golf”, Tee 1 (blancas y amarillas) estado actual.
........................................................................................................................................ 89
V
Figura 44. Vista de una calle del campo de golf “Almerimar” (El Ejido Almería)....... 90
Figura 45. Antena flexible siendo pisada por un jugador de golf.................................. 91
Figura 46. Esquema de una posible antena flexible que podría usarse en un campo de
golf.................................................................................................................................. 92
Figura 47. Vista del nodo remoto sobre el mástil que se ubica al lado de la fila de
árboles que conforman el campo de golf........................................................................ 93
Figura 48. Aspersor regando, medición del alcance del riego de un aspersor en el
Campo de Golf “Almerimar”. ........................................................................................ 94
Figura 49. Alcance del aspersor: a) radio de riego (23 m), b) elevación ( 5.5 m). ........ 94
Figura 50. Despliegue en diagonal de los aspersores dentro del fairway. ..................... 95
Figura 51. Ejemplo de solape entre los aspersores de riego. ......................................... 95
Figura 52. Arquitectura de la red. .................................................................................. 97
Figura 53. Ubicación de los sensores de suelo en el fairway por mota. ........................ 98
Figura 54. Esquema de la WSN sobre el campo de golf. .............................................. 99
Figura 55. Cálculo del enlace entre dos nodos de la WSN.......................................... 100
Figura 56. Cálculo del enlace entre dos nodos de la WSN.......................................... 101
Figura 57. Medición de la cantidad volumétrica de agua en un periodo de seis días.. 106
Figura 58. Medición de la radiación solar total en un periodo de seis días. ................ 107
Figura 59. Vista ampliada en la medición del sensor de suelo EC-20......................... 107
Figura 60. Gráfica dinámica que muestra los valores la humedad relativa que se van
registrando en los sensores. .......................................................................................... 108
Figura 61. Vista general de los nodos sobre un mapa. El nodo en color verde indica que
está operativo, y otro de color rojo señala que tiene una alerta activada. .................... 110
Figura 62. Gráfica de una red de sensores inalámbrica en un área específica............. 114
Figura 63. WSN's unidas a la red WiFi. ...................................................................... 115
Figura 64. Extremo de la red conteniendo el acceso a Internet y a los servidores. ..... 115
Figura 65. Esquema un enlace WiFi local, desde una torre de comunicación a un puesto
de salud (Rey-Moreno et al.,2011). .............................................................................. 117
Figura 66. Esquema del despliegue de una WSN en una torre de comunicaciones. ... 117
Figura 67. Esquema de comunicación de los enlaces 802.15.4 alrededor de la torre en
un poblado de la selva amazónica. ............................................................................... 118
Figura 68. Diagrama del escenario .............................................................................. 119
Figura 69. Etapas de la implementación. ..................................................................... 119
VI
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Árbol de directorio de TinyOS ........................................................................ 31
Tabla 2. Funciones de la mota CM5000-SMA (ADVANTICS, 2010):........................ 40
Tabla 3. Ahorro de energía aproximado. Tiempo de trabajo de una mota con un par de
baterías alcalinas marca Duracell MN1500 y un par de baterías de litio marca Energizer
L91.................................................................................................................................. 81
Tabla 4. Consumo de energía aproximado sin tener activado el LPL. Tiempo de trabajo
de una mota con un par de baterías alcalinas marca Duracell MN1500 y un par de
baterías de litio marca Energizer L91............................................................................. 82
Tabla 5. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL en 1 salto. ................................................ 82
Tabla 6. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL en 3 saltos................................................ 83
Tabla 7. Mediciones con Blip 2.0/ TinyRPL + LPL para un salto con un
"sleep_interval" de 512 ms. ............................................................................................ 84
Tabla 8. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL+ LPL en tres saltos................................. 84
Tabla 9. Partes de las componentes deportivas en un campo de Golf (modificado de
(Salgot et al., 2012 ). ...................................................................................................... 86
VII
Abreviaturas
6LoWPAN IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks ADC Analog-to-digital converter BLIP Berkeley Low-power IP stack – Una reimplementación de IPv6 en TinyOS CCA Channel Clear Assessment) DLI Daily Light Integral IEEE 802.11 Conjunto de estándares para la implementación de redes inalámbricas de
área local (WLAN) IEEE 802.15.4 Estándar de las redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de
transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN) IoT Internet of Things IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6 LAMP Linux Apache MySql Php LAN Local Area Network LoWPAN Low power Wireless Personal Area Network LPL Low Power Listening kjj LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks MAC Medium Access Control MTU Maximum Transmission Unit NesC Network Embedded Systems C NFR Net Finance Result ORAS Organismo Regional Andino de Salud OSI Open System Interconnection PAMAFRO Proyecto del ORAS de Control de la Malaria en las zonas fronterizas de la
Región Andina: Un enfoque comunitario PAR Photosynthetically Active Radiation PCB Printed circuit board. PRR Packet Reception Rate RH Relative Humidity RFC Request for Comments RPL The IP routing protocol designed for low power and lossy networks
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
2
1.1 Introducción
Cuando en 1895 Guillermo Marconi lleva a cabo la primera radiocomunicación a través
de un enlace de aproximadamente 29 kilómetros (Goldsmith, 2005), se empieza a
demostrar la aplicabilidad de las comunicación inalámbrica, la cual se consolidaría en
los años posteriores con el uso del telégrafo sin hilos.
Desde entonces, esta tecnología ha tenido grandes avances. Por poner un ejemplo, con
la producción científica reflejada en el número de resultados de todas la publicaciones
que contienen la palabra “wireless” (inalámbrico en inglés). Analizando la base de datos
Scopus a través de las entradas de título, resumen o palabra clave en los artículos, se
aprecia (figura 1) que la producción de los mismos empieza a tener un mayor auge a
partir del año 1993 y alcanza su pico máximo en número de publicaciones en el año
2009 con más de 31 mil documentos, año que se puede considerar alcanza la madurez
porque a partir de entonces la curva empieza a decrecer hasta llegar al año 2012 con
22.675 artículos publicados (Scopus, 2013).
Figura 1: Historial publicaciones sobre la tecnología inalámbrica (Scopus, 2013).
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
3
La tecnología inalámbrica ha ido evolucionando con el paso del tiempo y actualmente
también permite simplificar el acceso a las máquinas y sus aplicaciones de forma
remota (Willig et al., 2005). Una de las ramas de la tecnología inalámbrica que en la
actualidad ha cobrado importancia son las redes de sensores inalámbricos (WSN), y es
la tecnología fundamental sobre la cual nos basaremos para el desarrollo de la presente
tesis, ya que la WSN será la encargada de medir y transportar la información mediante
las comunicaciones sin hilos.
La red de sensores inalámbricos (WSN) por su lado también ha alcanzado un auge en
las investigaciones y publicaciones en la última década como puede observarse en la
figura 2.
Figura 2: Historial publicaciones en el área de la WSN (Scopus, 2013).
En la figura 2 se aprecia claramente que las investigaciones se incrementan
vertiginosamente a partir del año 2001 que coincide con los inicios del desarrollo del
estándar IEEE 802.15.4, el estándar usado para las redes inalámbricas de área personal
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
4
de bajo costo y bajo consumo de energía (Gutierrez et al., 2001) y que hasta la fecha
consigue su mayor número de publicaciones en el año 2010 con 9.318 artículos,
posteriormente la curva tiene un declive (Scopus, 2013).
A continuación, se puede ver en figura 3 la evolución de las investigaciones que
relacionan el uso de la WSN con la agricultura, el tema principal del presente trabajo.
La evolución mostrada entre los años 2004 y 2012 evidencia un visible incremento en
el número de artículos en esta temática hasta llegar al año 2010 donde alcanza la
máxima cantidad de publicaciones que los totaliza en 100, siendo China el país que
realizó el mayor número de publicaciones en este periodo de tiempo. España se
encuentra en la cuarta posición a nivel mundial y encabezando dichos estudios a nivel
europeo (Scopus, 2013) de acuerdo al gráfico mostrado en la figura 4. No obstante, se
percibe que en este rama de investigación de la WSN los estudios realizados sólo han
sido una pequeña fracción del total de la misma, el 0.97% (Scopus, 2013).
Figura 3: Curva del historial de publicaciones que relacionan la WSN con la agricultura entre los años 2004 – 2012 (Fuente: Scopus).
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
5
Figura 4. Lista de países ordenados por número de publicaciones que relacionan la WSN con la agricultura entre los años 2004 – 2012 (Fuente: Scopus).
Las WSN han sido empleadas en muchas aplicaciones tales como las automatización en
entornos domésticos, monitorización medioambiental, supervisión y control industrial,
con fines militares y cuidado de la salud (Wu et al., 2013). Permite el procesamiento en
tiempo real, al mínimo costo, en los lugares donde las condiciones físicas cambian
rápidamente sobre el espacio y el tiempo. Además de ello, en el caso de la agricultura,
permite tener un sistema de apoyo para la toma de decisiones que permita maximizar la
productividad del cultivo o minimizar las mismas; en cualquier caso mejorar la
eficiencia. También la WSN elimina las dificultades de cablear las estaciones de
monitorización a través del campo reduciendo los costes de mantenimiento. Debido a
que la instalación de una WSN es más fácil que una red cableada, los sensores pueden
ser densamente desplegados para proporcionar datos locales detallados.
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
6
Los dispositivos sensores que conforman la WSN son comúnmente llamados “motas”, y
deben soportar los requerimientos computacionales de monitorización así como las
comunicaciones inalámbricas. Para estos requerimientos, por lo general las “motas”
cuentan con el siguiente hardware: un micro-controlador para los cálculos, una pequeña
memoria RAM que maneja los datos dinámicos, una o más memorias flash que
mantiene el código del programa, un transceptor inalámbrico para enviar o recibir la
información, una antena y un conversor análogo digital (ADC). Además de todo lo
anterior, pueden estar dotados con una amplia variedad de sensores tales como
temperatura, humedad, detección de componentes volátiles, etc. que permiten la
monitorización en diferentes ambientes y una fuente de alimentación para mantener
activa su operatividad (Stankovic, 2008). Un esquema sencillo de las partes de una mota
se puede observar en la figura 5.
Figura 5: Abstracción del hardware para una mota.
Durante el desarrollo del presente trabajo se emplea la tecnología 6LoWPAN, IPv6
(Internet Protocol version 6) en redes inalámbricas de área personal de baja potencia
baterías
sensores micro-controlador radio
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
7
(LoWPANs). 6LoWPAN es el estándar que especifica cómo se transportan paquetes
IPv6 sobre IEEE 802.15.4 (Montenegro et al., 2007; Hui et al., 2011). De los tres tipos
de LoWPANs que hay (Simple LoWPAN, Extended LoWPAN y Ad hoc LoWPAN),
nuestro estudio está enfocado al llamado "Simple LoWPAN" (Shelby y Bormann,
2009).
Los beneficios de usar 6LoWPAN van de la mano con las ventajas que representa el
enfoque del determinado ”Internet de las Cosas (IoT)”, ya que simplifica el manejo de
diversos protocolos propietarios al protocolo de Internet (IP) para conducir a la
integración de los dispositivos embebidos. Actualmente 6LoWPAN es usado además
por las siguientes razones:
• Puede hacer uso de la infraestructura de la red Internet dado que está basada en
redes IP.
• La tecnología basada en IP es ampliamente conocida, probada y usada alrededor del
mundo durante décadas, además la documentación de la tecnología IP es abierta y
gratuita.
• Los dispositivos basados en IP, pueden ser fácilmente conectados a otras redes IP.
Por otro lado, se estima que gracias al uso de sensores inalámbricos, la cantidad actual
de usuarios que navega por internet será sobrepasada por el número de objetos que se
comunicarán entre sí, surgiendo una evolución natural de internet en los próximos años
conocida como el “Internet de las Cosas” (IoT) (Aggarwal y Ashish, 2013). La visión
detrás del “Internet de las Cosas” (IoT) es otorgar, a los llamados “objetos inteligentes”
que constituyen las redes de sensores/actuadores inalámbricas (WSAN), direcciones IP
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
8
para que sean parte integral de Internet y puedan aprovechar los servicios que ofrece
ésta en relación a la monitorización y control de dichos dispositivos. Esto conlleva a la
integración del mundo físico y digital cuando en el futuro Internet abarque ingentes
cantidades de WSAN. En ese sentido 6LoWPAN se presenta como una tecnología
esencial para que los dispositivos embebidos (dispositivos de recursos limitados)
puedan comunicarse a través de redes IP.
En la figura 6 se aprecia un modelo de cómo está conformado Internet hoy en día,
mediante una estructura de anillos concéntricos. En el centro de todos los anillos está el
“Core” o núcleo de Internet, compuesto por millones de nodos (servidores y
enrutadores), el siguiente anillo de mayor tamaño es la franja de Internet que
corresponde a equipos o terminales de usuario final (ordenadores, teléfonos inteligentes,
tabletas, etc), finalmente el anillo de mayor diámetro se refiere al Internet de las Cosas
(IoT) que agrega una nueva dimensión al Internet actual; incluyen aplicaciones para
dispositivos embebidos enfocados a la automatización de edificios, la logística, la
vigilancia personal, o diversos procesos de medición inteligente.
La tecnología inalámbrica es la vía fundamental por la que los “objetos inteligentes” se
comunican entre ellos y hacia Internet. Son las redes de sensores inalámbricos las que
permite la escalabilidad del IoT y tienen la funcionalidad suficiente para proporcionar
su integración con la arquitectura actual de Internet (Shelby y Bormann, 2009; Kortuem,
2010; Zhu, 2010).
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
9
Figura 6: Visión del Internet de las Cosas IoT (Shelby y Bormann, 2009).
1.2 Objetivos La presente tesis tiene como objetivo general el estudio, desarrollo y despliegue de un
sistema de monitorización de variables ambientales para su utilización principalmente
agrícola, utilizando la tecnología de las redes de sensores inalámbricos (WSN). Los
valores recolectados por los sensores o motas son procesados para su fácil
entendimiento y análisis, ayudando en la mejorar de la toma de decisiones por parte de
los usuarios finales que velan por el cuidado y rendimiento de las áreas donde se
encuentran la flora o plantaciones que están bajo su cargo. En nuestro estudio se han
propuesto tres casos de despliegue de estas redes de sensores de acuerdo a la cobertura
de su trabajo: de corta, media y larga distancia, poniendo como casos de ejemplo su
utilización en invernaderos, campo de golf y en la Amazonía peruana respectivamente.
Los objetivos específicos para cada uno de estos casos son:
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
10
- Diseñar una red de sensores para monitorizar el contenido volumétrico de agua
del suelo (VWC), humedad, temperatura, radiación fotosintéticamente activa y
radiación solar total y la posibilidad de trabajar en combinación con redes WiFi,
a corta, media y larga distancia.
- Diseñar un sistema que permita la recolección de los datos de la red de sensores,
los almacene en una base de datos y permita mostrarlos a través de una interfaz
web que contribuya a mejorar la toma de decisiones en el cuidado de las plantas
o cultivos.
CAPÍTULO 2
ANTECEDENTES
ANTECEDENTES
12
2.1 Importancias en las zonas de despliegue
A continuación hablaremos sobre la importancia en los tres tipos de zonas de despliegue
que aborda el presente trabajo.
2.1.1 Despliegue de corta cobertura- Ejemplo de estudio: Invernaderos en
Almería
Para mejorar la productividad de un invernadero es importante tener información sobre
los parámetros de luz, suelo, aire y agua de manera que se pueda monitorizar
adecuadamente el crecimiento y mejorar la calidad de los productos que se cultivan
(Postolache et al., 2012). Entre los parámetros del aire que se registran en el presente
trabajo a través del manejo de la WSN se tiene la humedad relativa, que indica el
porcentaje de la máxima cantidad de humedad que puede estar presente en el aire y
guarda relación opuesta con los cambios de temperatura diaria. Estos conforman las
condiciones climáticas necesarias para el crecimiento de los cultivos que pueden variar
de acuerdo a la ventilación que se proporcione.
A su vez, la insuficiencia en el contenido de humedad en el aire que respiran las plantas
puede conducir al cierre de sus estomas y por consiguiente disminuir el intercambio de
dióxido de carbono, provocando la disminución de la función fotosintética de la planta.
Por lo general, la humedad relativa que necesitan cultivos de invernadero para la
fotosíntesis y una adecuada respuesta con el se sitúa entre el 40% y 70% (Talbott et
al., 2003), y no debería de ser mayor al 85% (Ministry, 1994). Como los invernaderos
ANTECEDENTES
13
son ambientes bastante cerrados, se debe prestar especial atención en las estaciones frías
del año porque es allí donde la humedad relativa suele aumentar con frecuencia al 90%
y 100% a raíz de que se evita el intercambio de aire con el ambiente externo para
preservar el calor (Gruber et al., 2011; Li et al., 2011). A continuación en la figura 7 se
aprecia una imagen satelital que da idea de la densidad de invernaderos en parte de la
provincia de Almería.
Figura 7: Mapa mostrando la alta densidad de invernaderos en Almería (Fuente: Google Earth).
Aparte de los valores de humedad relativa, están la temperatura y la radiación solar
total (TSR), valores que están estrechamente relacionados entre ellos y en la
conservación de la energía dentro del invernadero (Hasson, 1991; Dragićević, 2011;
Vadiee et al., 2013)
Para diversas especies vegetales la insuficiencia de luz es un limitante del crecimiento.
Esto motiva que en algunos casos los agricultores proporcionen una iluminación
ANTECEDENTES
14
suplementaria con objeto de incrementar el total de la Radiación Fotosintéticamente
Activa (PAR) que una planta recibe diariamente. Dicha sumatoria de luz total recibida
en un día se denomina DLI (Luz Integral Diaria). Así, incrementando el DLI se puede
aumentar la tasa de crecimiento de las especies adaptadas al sol reduciendo el tiempo
necesario para producir un cultivo. Esta práctica contribuye a la horticultura sostenible
reduciendo el impacto ambiental, conservando recursos y mejorando la viabilidad
económica en los invernaderos con repercusión directa en la eficiencia del agua
(Garland et al., 2011). Por ejemplo, en un análisis de sensibilidad del resultado
financiero neto (NFR) se aprecia que, en el caso del precio del tomate, incrementando el
PAR se puede aumentar el NFR gracias al efecto en el incremento de la tasa de la
fotosíntesis (Vanthoor et al., 2012).
Por otro lado, con respecto a parámetros del suelo, se tiene que el agua es uno de los
elementos principales e indispensables que debe ser vigilado (Westhuizen et al., 2012)
para velar por el adecuado crecimiento y mantenimiento de las plantas en el
invernadero. El estudio del contenido volumétrico de agua en el suelo indica cuánta
agua está presente en el substrato. De acuerdo al análisis gravimétrico puede ser
expresado como:
Con relación al ahorro del agua en la península ibérica, el 70% de los invernaderos
españoles están concentrados en el sureste peninsular español, siendo Almería la
provincia que presenta la mayor concentración de estos con aproximadamente 30.000
ha. A pesar que es uno de los lugares más secos de Europa (Tout, 2012; Manzano-
Agugliaro, 2007) es a la vez una de las regiones agrícolas más productivas del
continente. Uno de los principales retos actuales de los invernaderos es el control del
ANTECEDENTES
15
clima para lograr mayor eficacia en el aprovechamiento de los recursos. Destacan de
manera muy significativa el coste del agua y de la energía eléctrica asociada, debido al
bombeo que se realiza para obtener la presión necesaria en el riego por goteo (Manzano-
Agugliaro y Cañero-León, 2010).
De forma general, el control de irrigación se realiza con simples temporizadores
configurados por los propios agricultores y según su propia experiencia. Lo habitual son
los sistemas avanzados que programan ciclos de irrigación teniendo en cuenta
únicamente el tiempo y obviando la información de posibles sensores de humedad del
suelo.
Aunque estos métodos intuitivos para la programación de la irrigación pueden dar
buenos resultados con la experiencia, tienden a ser muy subjetivos con diferentes
operadores tomando distintas decisiones. Incluso muchas veces los experimentados
administradores toman una decisión incorrecta regando el cultivo cuando no se requiere.
Por otro lado, esta práctica se ve reforzada debido a que los costes de irrigación han sido
bajos respecto al total de los costes de producción. Por consiguiente, la cantidad de agua
aplicada se decide en base a la disponibilidad más que a las necesidades reales del
cultivo (Bacci et al., 2008). Otros factores que no se tienen en cuenta son la calidad del
agua y la disponibilidad de la misma en el suelo en función de sus propiedades. Por todo
ello se hace necesario plantear un sistema de monitorización que permita recoger estas
variables y ofrecerlas al usuario en tiempo real y en zonas alejadas del invernadero.
Hasta ahora los sistemas de monitorización existentes en invernaderos se basaban en
sistemas cableados (Manzano-Agugliaro y García-Cruz, 2009), haciéndolos engorrosos
y limitados a estar siempre en el mismo sitio.
ANTECEDENTES
16
2.1.2 Despliegue de mediana cobertura- Ejemplo de estudio: Campos de golf
de clima mediterráneo.
El Golf es, entre los deportes de césped, el que tiene una mayor dependencia con el
riego sobre sus campos de juego. Paradójicamente, es en la zona Mediterránea, ubicada
en el sur y sureste de la península ibérica, donde se registran los índices más altos de
sequías. Por este motivo, hay una sensibilidad especial en cuanto al uso del agua entre la
agricultura y el golf (Rodríguez-Díaz et al., 2011).
Mientras que en la agricultura el riego es un factor importante para la productividad en
los cultivos, en el caso del golf es una herramienta esencial en el mantenimiento y
gestión de la superficie del césped. Controla el crecimiento y la calidad del césped y
mantiene las condiciones estéticas requeridas por los jugadores (Bastug y Buyuktas,
2003; Weatherhead et al., 2006; López-Bellido et al., 2012). Sin embargo, en España
el volumen de metros cúbicos de agua que se emplea para el golf es mucho menor que
para la agricultura, 1% de la demanda hídrica total, incluso en la zona sureste donde está
el mayor conglomerado de campos de golf representa el 0,8% del agua consumida en la
agricultura (Espejo-Marín y Cànoves-Valiente, 2011).
Surgen las controversias especialmente en las zonas con mayor número de campos de
golf y que compite directamente por el agua en las áreas donde es más escaso dicho
recurso, como lo es particularmente a lo largo de la costa del Mediterráneo,
específicamente en la zona de Andalucía (Rodríguez-Díaz et al., 2007).
ANTECEDENTES
17
En un inicio, en los años sesenta, el desarrollo de los campos de golf en Andalucía
guardaba una relación directa con el turismo de sol y playa, pero en los últimos años
esto ha cambiado y guarda un vínculo más estrecho con la actividad residencial-
inmobiliaria (Villar-Lama, 2011).
Acerca del consumo de agua en los campos de golf de clima mediterráneo se ha
observado que, de forma general, los campos que más labores culturales realizan, tienen
menor consumo de agua, aunque el consumo de agua, como hemos podido comprobar,
no sólo depende de la superficie a regar, sino también del diseño del sistema de riego,
tipo de suelo, labores que se realizan, especies que componen el campo, etc., por lo que
a la hora de diseñar y construir un campo, es determinante hacerlo respecto a estos
parámetros, ya que en el futuro hará el campo mucho más sostenible.
El ratio del consumo de agua observado para los campos de golf de clima mediterráneo
es de 0,7 m3 de agua al año por cada m2 de campo de golf, y este valor es cercano al
calculado teóricamente, de 0,67 m3 de agua al año por cada m2 de campo de golf. Dicho
consumo depende de varios factores, puesto que cada campo es único en condiciones
propias y en sus políticas aplicadas, como se ha podido comprobar, a continuación se
listan algunos de los principales factores que pueden afectar a esta cuestión:
- Diseño del sistema de riego (grado de automatización y sectorización, ubicación
de los emisores de riego, etc.).
- Tipo de suelo (arenoso, arcilloso, etc.).
- Programa de mantenimiento (fertilizaciones, siegas, etc.).
- Topografía del campo.
ANTECEDENTES
18
- Política del uso de agua de riego (preferir tener el campo más seco cuando hay
poca afluencia de público en veranos con estación baja de jugadores, o campo
siempre verde).
- Uso de sensores y estaciones meteorológicas.
- Experiencia de los responsables de riego.
- Recogida de pluviales a los lagos.
- Evapotranspiraciones de los lagos (en Almería este factor es muy superior al
resto).
- Pluviometrías de cada zona.
Por otro lado, algunas administraciones regionales como La Junta de Andalucía
disponen de normativas que obligan a instalar sistemas inteligentes de riego para
utilizarlos sólo en las zonas de juego (Junta de Andalucía, 2008). Para dicho propósito
resulta útil emplear sondas de humedad de suelo distribuidas en distintas áreas del
campo que indiquen las necesidades diarias de agua ya que las condiciones del suelo
varían en cada zona. Todo esto trabajando en conjunto y en función de los datos
meteorológicos para que la dosis de riego se adapte a la evapotranspiración potencial
diaria que dependen del viento, temperatura e insolación diaria (Espejo-Marín y
Cànoves-Valiente, 2011; Sanz-Magallón, 2005).
En la figura 8 se aprecia el riego por aspersión para el mantenimiento del campo de golf
de Alborán (Almería).
ANTECEDENTES
19
Figura 8. Riego por aspersión en “Alboran Golf” (Almería). Riego de
mantenimiento.
2.1.3 Despliegue de amplia cobertura- Ejemplo de estudio: La Amazonía
peruana.
La importancia en el cuidado y preservación de la Amazonía radica en su impacto en la
hidrología regional y en el ciclo global del carbono (Nepstad et al., 1994). Reduce las
concentraciones atmosféricas del dióxido de carbono (CO2) al actuar su biosfera en la
absorción del carbono (Cox et al., 2000) y contribuyendo con la producción de oxigeno
del planeta a través del proceso de la fotosíntesis (Peterson et al., 1998). Es decir,
almacena el carbono en la vegetación, y en este sentido transforma las concentraciones
atmosféricas de CO2 en carbono orgánico, también por medio de la fotosíntesis
(Mercado et al., 2011). Por otro lado, hay un efecto directo e instantáneo del CO2 en la
temperatura (Kirschbaum, 2003) del medioambiente que se ve reflejado en la variación
ANTECEDENTES
20
de la composición de las especies y diversidad en la flora de la región (Wittmann et al.,
2006) dato a tener en cuenta puesto que es el lugar con mayor biodiversidad en el
planeta a pesar de la deforestación que hay hoy en día (Boekhout, 2010; Celentano et
al., 2012).
Por otro lado, en medio de la amazonia peruana, en la provincia de Maynas que
pertenece al departamento de Loreto en Perú existe una red de enlaces inalámbricos
basada en tecnología WiFi de largo alcance pues las distancias entre dos estaciones
llega a ser de hasta 49,9 km (Rey-Moreno et al., 2011). La construcción de esta red fue
financiada por las Naciones Unidas para el control de la malaria a través del proyecto
PAMAFRO (Proyecto de Lucha contra la Malaria en Zona de Fronteras). La red cuenta
con 20 torres de entre 52 y 90 metros de altura que contienen a los transceptores de 2,4
GHz y las antenas de alta ganancia. En la figura 9 se tiene una imagen desde la cima de
una de las torres que se utiliza en la red de Napo, se puede apreciar la altura donde se
ubica su antena, el río Napo y el poblado ubicado en su margen izquierda en medio de la
selva amazónica.
Figura 9. Desde la torre de comunicaciones de la red del Napo, a 72 metros de altura en la localidad de Santa Clotilde.
ANTECEDENTES
21
Esta red ha sido instalada a lo largo de la rivera del rio Napo (afluente directo del río
Amazonas) en la selva amazónica peruana y se cree que es la red WiFi permanente más
larga del mundo cubriendo una distancia entre sus extremos de 450 kilómetros a través
de 16 saltos desde su puesta en marcha en Marzo del 2007 (Mickelson, 2009; Rey-
Moreno et al., 2011). En la figura 10 se contempla la caja donde se alberga los equipos
electrónicos para las comunicaciones en la red del río Napo.
.
Figura 10. Router inalámbrico de la red WiFi del Napo (Camacho, 2009).
En la figura 11 se tienen fotografías con vistas de las torres de telecomunicaciones
desplegadas en la ribera del río Napo. Una toma alejada de la torre con una vista
completa la misma, y otra desde su cima donde se aprecia los paneles solares que
forman parte de su sistema de alimentación.
En la figura 12 se muestra una imagen del recorrido del rio Napo extraída de los mapas
GoogleEarth con las torres de PAMAFRO marcados con el nombre de las localidades.
Muchos de los enrutadores inalámbricos usados en la red WiFi del Napo son de la
marca “Alix” (PC, 2013a), que pueden ser aprovechados para interactuar con la red de
sensores inalámbricos.
ANTECEDENTES
22
Figura 11. Izquierda, desde el rio Napo de una de las torres de comunicación. Derecha, sobre la torre, al lado de los paneles solares.
Figura 12. La red WiFi del Napo (450 km) (Wikipedia, 2013a).
ANTECEDENTES
23
2.2 Las redes de sensores inalámbricos (WSN)
Las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN – Wireless Sensor Network) han recibido
una gran atención en los últimos años desde los puntos de vista académico e industrial
gracias a los avances de la tecnología en relación al micro-sensor, redes inalámbricas y
el procesamiento de dispositivos embebidos. Una de esas aplicaciones es la agricultura,
donde las WSN’s pueden jugar un papel muy importante en el manejo y gestión de los
recursos hídricos. Con la tecnología inalámbrica se proporciona flexibilidad en la
instalación de los sensores, robustez en la red, mientras que se reduce el coste y la
complejidad de su mantenimiento.
Las WSNs están constituidas por sensores autónomos distribuidos espacialmente con el
propósito de ser capaces de comunicarse entre sí con un mínimo de consumo de energía
y entregando su colección de datos. Actualmente las WSNs son ampliamente probadas
y dispuestas para diversos dominios de aplicaciones tales como: sistemas médicos,
industria, medio ambiente, agricultura, transporte de productos, sistemas de control de
luz, consumo eléctrico, manejo de energía y en el campo militar entre otras
aplicaciones. En ese sentido, desde el año 2003 el IEEE 802.15.4 ha sido el estándar
más empleado en las WSNs. El mencionado estándar determina las comunicaciones en
las capas físicas y de control de acceso al medio – MAC (capas 1 y 2 del modelo de
Interconexión de Sistemas Abiertos - OSI) en las redes de sensores inalámbricos de área
personal de baja velocidad (LR-WPAN).
Las LR-WPANs son caracterizadas por la baja tasa de datos que transportan, el bajo
consumo de energía requerido para su funcionamiento (la duración de la batería es de
ANTECEDENTES
24
varios meses o incluso años de acuerdo al nivel de actividad), la variabilidad de la
topología de red y el conocimiento de la ubicación.
2.2.1 6LoWPAN
Durante un tiempo las WSN han estado trabajando con varios protocolos para su
interconexión lo cual ha causado problemas al momento de su integración. Para
solventar esta situación se produjo una estandarización eligiendo el protocolo IP para
superar este desafío porque es ampliamente conocido, con documentación abierta y
porque le respalda décadas de experiencia en su operación. Así es como nace
6LoWPAN, una abreviación de “IPv6 over wireless personal area networks low-power
(LoWPAN)” que ha llegado a convertirse en las redes estándar LoWPAN usando
direcciones IPv6 en dispositivos embebidos.
6LoWPAN elige trabajar con direcciones IPv6 (en vez de IPv4) en las capas superiores
de 802.15.4 principalmente por la oportunidad de disponer de una abundante cantidad
de direcciones, el protocolo IPv6 trabaja con direcciones de 128 bits en lugar de los 32
bits que proporciona IPv4.
2.2.1.1 La arquitectura de 6LoWPAN La unidad de datos del protocolo en 802.15.4 (PPDU) tiene diferentes tamaños
dependiendo de cuanta sobrecarga esté presente, se inicia desde un paquete de la capa
física de tamaño máximo de 127 octetos. Por estas circunstancias, un paquete IPv6 no
ANTECEDENTES
25
podía ajustarse en una trama IEEE 802.15.4 porque el tamaño de su unidad de
transmisión máxima (MTU) es de por lo menos 1280 octetos.
En los RFC 4944 (Montenegro et al., 2007) y RFC 6282 (Hui et al., 2011) han sido
definidas las especificaciones acerca de cómo se soportan las transmisiones de paquetes
IPv6 sobre LoWPAN para que cumpla con los requerimientos de IPv6. De este modo,
una capa intermedia entre la capa de red y la de enlace de datos, llamada también capa
de adaptación o “LoWPAN adaptation layer”, ha sido creada para permitir datagramas
IPv6 conforme a los requerimientos de las capas más bajas (Kushalnagar et al., 2007;
Mulligan y Group, 2007; Hui et al., 2011; Ludovici et al., 2011 ).
6LoWPAN se compone de LoWPANs que son redes “stub” IPv6. Una red “stub” está
conformada por nodos que cumplen el papel de host o de router con uno o más routers
de borde. Tal red “stub” está definida como una red en la cual los paquetes IP son
enviados desde o hacia sus destinos, pero que no actúan como tránsito a otras redes.
Más aún, para ser conectado a otra red IP es a través de los routers de borde, el que
encamina el tráfico entrante y saliente de la LoWPAN mientras maneja el protocolo de
descubrimiento de su vecino (ND - Neighbor Discovery) (Calveras y Ludovici, 2010) y
la compresión 6LoWPAN para las LoWPAN's. Tres diferentes tipos de LoWPANs han
sido definidos: Ad hoc LoWPAN, Simple LoWPAN y Extended LoWPAN.
En la figura 13 la “Simple LoWPAN” y una “Extended LoWPAN” tienen sus nodos
que pueden comunicarse con cualquiera de los servidores a través de los routers de
borde.
ANTECEDENTES
26
La principal diferencia entre un “Simple LoWPAN” y un “Extended LoWPAN” es la
existencia de diversos routers de borde que comparten un enlace backbone. En la
topología “Ad hoc LoWPAN” no hay comunicación con internet, sino que en vez de
ello operan en modo infraestructura.
Figura 13. Conectividad entre “Simple LoWPAN”, “Extended LoWPAN” y Ad-
hoc LoWPAN (Shelby y Bormann, 2009).
La figura 14 muestra una analogía entre la pila del protocolo IPv6 en 6LoWPAN con
una típica pila del protocolo IP. Una pila del protocolo IPv6 en 6LoWPAN, también
llamada la pila del protocolo 6LoWPAN, es casi semejante a una pila normal IP con la
ANTECEDENTES
27
siguiente diferencia: 6LoWPAN sólo soporta IPv6, por lo cual una pequeña capa de
adaptación, llamada “LoWPAN adaptation layer”, ha sido definida para optimizar IPv6
sobre IEEE 802.15.4. Frecuentemente 6LoWPAN es mostrado como la capa de
adaptación de LoWPAN junto con IPv6 (Shelby y Bormann, 2009).
Figura 14. La pila de protocolos IP y 6LoWPAN (Shelby y Bormann, 2009).
2.2.2 Enrutamiento
Ya que la WSN en nuestros casos de estudio puede trabajar con enlaces multi-saltos,
para el enrutamiento se emplea el protocolo RPL (Narten et al., 2007; Winter et al.,
2012) (IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks) en cuyo prototipo
de implementación en TinyOS 2.x es denominada TinyRPL (TinyOS, 2013b), esta se
agregará en la configuración de todas las motas; aun cuando TinyRPL tiene poco
tiempo de desarrollo, las pruebas realizadas muestran que tiene un desempeño
comparable con CTP (Collection Tree Protocol) el protocolo de enrutamiento de facto
de TinyOS (Ko et al., 2011a).
En su interacción con TinyRPL, BLIP , que es el conjunto de protocolos IP aplicados en
TinyOS, iniciará las operaciones de TinyRPL una vez que a un nodo le es asignada una
ANTECEDENTES
28
dirección global. Después que TinyRPL establece una ruta usando mensajes ICMPv6
relacionados a RPL (por ejemplo cuando TinyRPL obtiene conocimiento de cuál es el
siguiente salto de nodo para cualquier destino soportado o deseado), se añade la ruta en
la tabla de enrutamiento de Blip (Ko et al., 2011b). De esta manera TinyRPL encuentra
las rutas de forma automática sin la necesidad de crearlas manualmente lo que le da un
enfoque más realista al momento de implementarlo ya que no importa la posición de los
nodos (siempre que cuenten con visibilidad entre ellos) haciendo que el proyecto se
pueda replicar en cualquier campo agrícola sin tener en cuenta la distribución de la
WSN.
2.2.3 Coexistencia entre 802.15.4 y 802.11
Al trabajar en conjunto las tecnologías 802.11 y 802.15.4 es significativo entender la
implicación de cuando ambos operan en la banda de 2.4 GHz, porque el transceptor de
la mota tipo TelosB, que se empleará en el el presente trabajo y se detalla sus
características en el capítulo 3, solamente trabaja en este rango de frecuencia. Es el caso
de la selva amazónica peruana donde la red WiFi está configurada en la banda de 2400
MHz para superar los problemas de la atenuación de la señal por ser una región
pluviosa, en otro caso se podría haber trabajado con la banda de 5.8 GHz.
Para una aceptable coexistencia se analizan tres de las principales problemáticas:
1) Bajo ciclo de trabajo: Con bajos ciclos de trabajo (menores al 1%) los dispositivos de
la WSN tienen menos probabilidad de causar interferencia a otros estándares (IEEE,
2006).
ANTECEDENTES
29
2) Baja potencia de transmisión: Asumiendo unas antenas de ganancia moderada para
las implementaciones en IEEE 802.15.4, habría cerca de 12 a 18 dB menos que una
implementación en IEEE 802.11 (IEEE, 2006) por lo que hay una mínima interferencia
entre las motas y los dispositivos WiFi.
3) Alineación del canal: Buscar frecuencias IEEE802.15.4 que coincidan con los
canales de guardas IEEE 802.11b (Zacharias et al., 2012) en la banda de 2400 MHz. La
energía en los espacios de guarda en IEEE 802.11b es mucho menor a la energía que
hay dentro de los canales, y reduce al mínimo la interferencia entre los sistemas.
Finalmente se puede concluir que las operaciones en IEEE 802.15.4 no tienen
prácticamente influencia negativa en las comunicaciones IEEE 802.11. Sin embargo, si
no se tienen cuidado en las operaciones de los canales de las dos tecnologías, el IEEE
802.11 sí podría tener un efecto negativo sobre el desempeño de las transmisiones IEEE
802.15.4 (IEEE, 2006).
En la figura 15 se observa un diagrama que puede servir de ejemplo práctico. Cuando se
perciben a la vez las señales WiFi en sus canales 1 y 7, se podrían usar los canales IEEE
802.15.4 15 y 16 para evitar interferencias. De la misma forma si se está captando
señales de los canales 6 y 11 WiFi, se podría usar el canal 20 IEEE 802.15.4.
ANTECEDENTES
30
Figura 15. LR-WPAN no se superpone a la asignación de canales WiFi (Jennic, 2008).
2.2.3 El Sistema operativo TinyOS
El sistema operativo empleado por las motas que conforman la WSN es TinyOS. Este es
un sistema operativo orientado a eventos creado para dispositivos de recursos limitados,
que por su reducido tamaño es difícil que incluya un potente hardware.
TinyOS en vez de ser un sistema operativo monolítico es un conjunto de componentes
los cuales se incluyen según sea necesario en las aplicaciones (Gay et al., 2005).
De acuerdo a su modelo de concurrencia, TinyOS ejecuta sólo un programa basado en
un sistema de componentes seleccionados y personalizados necesarios para una
aplicación. Hay dos hilos de ejecución: para las tareas y para manejar los eventos de
ANTECEDENTES
31
hardware. Las tareas son funciones cuya ejecución es diferida. Una vez planificada,
esta se ejecuta hasta terminarla y no se adelanta a otra (se ejecuta en un orden de cola
tipo FIFO). Los manejadores de eventos de hardware son ejecutados en respuesta a
interrupciones de hardware y también se ejecutan hasta su terminación, pero una
ejecución se puede adelantar a una tarea o a otro manejo de evento de hardware
(TinyOS, 2013a)
2.2.3.1 Directorios de TinyOS En el presente trabajo se está empleando TinyOS 2.x. Su árbol de directorios con el
código que se extraerá para realizar la compilación cruzada se distribuye en los
siguientes directorios:
Tabla 1. Árbol de directorio de TinyOS
Ruta Descripción
apps/ Aplicaciones en TinyOS (programas en NesC),varios ejemplos
licenses/
support/
tos/ programa y cabecera de directorio de archivos
lib/ Archivos de librerías
platforms/ Archivos para plataformas individuales
chips/ Archivos de chips específicos
sensorboards/ Archivos de específicas sensor-boards
system/ Archivos del sistema
interfaces Fuente para todas las declaraciones de interfaces
types/ Tipos de sistemas
2.2.3.2 Lenguaje de programación NesC
ANTECEDENTES
32
NesC es una extensión del lenguaje C, y fue diseñado para dispositivos de recursos
limitados. El lenguaje de implementación de TinyOS fue diseñado con los siguientes
desafíos en mente: es un lenguaje basado en componentes con un modelo de ejecución
basado en eventos. Los componentes de NesC tienen similitudes a los objetos: ellos
encapsulan el estado e interactúan a través de interfaces bien definidas.
Los sistemas TinyOS, librerías y aplicaciones son escritos en NesC que proporciona
construcciones para la definición, y vinculación de los componentes.
NesC es la forma que el modelo de programación se expresa en TinyOS. Uno de los
conceptos básicos de NesC es que los programas son construidos a partir de los
componentes, los que son ensamblados ("cableados" o “wiring”) para formar programas
completos. Hay dos tipos de componentes: de configuración y módulo. El primero (de
configuración) determina la manera en la cual los componentes de TinyOS son
conectados juntos (llamado “wiring”) conectando interfaces usado por componentes a
interfaces proporcionada por otros. El Módulo por su parte es un componente que
implementa uno o más interfaces.
La interface busca representar la funcionalidad que la componente proporciona a su
usuario, así, la interface representa la funcionalidad que el componente necesita para
desempeñar su trabajo. Son usadas para proporcionar una definición abstracta de la
interacción de dos componentes y trabaja de una manera bidireccional: ellos especifican
un conjunto de funciones para ser implementadas por el proveedor de la interfaz
(comandos) y un conjunto para ser implementado por los usuarios de las interfaces
(eventos)
ANTECEDENTES
33
En el ejemplo inferior,
BlinkM.Timer -> SingleTimer.Timer;
La componente que proporciona la interface está en el lado derecho y la componente
que usa una componente está al lado izquierdo. La flecha siempre une interfaces (a la
izquierda) con implementaciones (a la derecha). La interface Timer usada por BlinkM
es “cableada” a la interface Timer proporcionada por SingleTimer. A su vez
BlinkM.Timer al lado izquierdo de la flecha es referenciada a la interface llamada Timer
(tos/interfaces/Timer.nc), mientras SingleTimer.Timer en el lado derecho de la fleha es
referenciada a la implementación de Timer (tos/lib/SingleTimer.nc) (Levis y Gay, 2009)
El cableado puede ser implícito. Por ejemplo,
BlinkM.Leds -> LedsC; Lo que es en realidad una abreviatura de:
BlinkM.Leds -> LedsC.Leds;
Como se dijo antes, los programas NesC son construidos a partir de componentes que
son conectados (“wired”) por las declaraciones de un programa en específico; El
compilador de NesC conecta y compila esas componentes como una unidad (Levis y
Gay, 2009).
Los programas en NesC son construidos a partir de componentes que implementan un
servicio en particular. Las interacciones entre los componentes son especificados por las
ANTECEDENTES
34
interfaces: los usuarios de las interfaces hacen peticiones (llamadas comandos) para los
proveedores de las interfaces, el “proveedor” hace devoluciones de llamadas (envía
señales de eventos) a los usuarios de las interfaces. Por su parte, los usuarios deben
implementar eventos y los “proveedores” deben implementar comandos (Ver figura 16)
(Levis y Gay, 2009)
Figura 16. Los comandos y eventos en una Inteface (Levis y Gay, 2009).
Por convención los componentes en TinyOS tienen la letra “C” y “P”. Los componentes
cuyos nombres finalizan en C son abstracciones que otras componentes pueden usar
libremente: La letra “C” se entiende por “componente”. Algunos nombres de los
componentes finalizan con la letra “P”, lo cual se entiende como privado. Nunca se
“cablea” un componente P fuera de su paquete (directorio). En TinyOS los componentes
“P” no deberían ser usados directamente, ya que ellos son generalmente parte interna de
un sistema complejo. Los componentes usan esas dos letras con el fin de distinguirse
claramente de las interfaces.
ANTECEDENTES
35
En el modelo de compilación de NesC (Figura 17), el compilador de NesC carga y lee
los componentes de NesC, los que compila a un archivo tipo C. Este archivo en C es
pasado a al compilador nativo de C, el cual genera una mota binaria (Levis y Gay,
2009).
Figura 17. El modelo de compilación de NesC (Levis y Gay, 2009).
2.3 Trabajos relacionados Como antecedentes a esta investigación se han encontrado otros trabajos desarrollados
para la medición de variables ambientales basadas en WSN, mencionaremos alguno de
los más relevantes:
COMMON-Sense. Es un proyecto en conjunto entre la EPFL de Suiza (École
Polytechnique Fédérale de Lausanne) y el IISc (Indian Institute of Science). Se trata de
una red inalámbrica compuesta de sensores de suelo cuyo esfuerzo principal está
enfocado al ahorro de agua en las zonas agrícolas rurales semiáridas a través del estudio
de los datos recogidos de los sensores que miden el contenido volumétrico de agua. Su
principal despliegue se llevó a cabo en el área de Tumkur, Karnataka (India)
(EPFL,2013).
Sensorscope. Nace en la EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) de Suiza
como una solución en la monitorización en los sistemas medioambientales basada en
WSN y con la colaboración entre investigadores medioambientales y de redes. El
ANTECEDENTES
36
despliegue de su red se inicia en los Alpes suizos y es el más conocido de sus trabajos.
Actualmente el proyecto se ha transformado en una compañía que brinda servicios en
este ámbito (Ingelrest, 2010).
6LOWPAN – Management and monitoring of wireless sensor networks. Es un
proyecto financiado por el gobierno hindú entre sus programas ERNET (Education and
Research Network) y el IISc (Indian Institute of Science). Los principales objetivos del
proyecto son:
1) Desarrollar un prototipo para el seguimiento y la gestión de una red 6LoWPAN
basada en redes de sensores inalámbricos.
2) Diseñar y construir un marco de gestión de red que se ajuste a los estándares
abiertos de Internet tales como SNMP y ICMP (ERNET, 2012).
Por otra parte, en comparación a las publicaciones que explican la utilidad de la WSN
en la ingeniería ambiental para la medición de parámetros en el aire, agua y suelo como
es en el caso de la agricultura, no hay muchos estudios realizados en su uso específico
en los campos de golf.
De la bibliografía revisada encontramos un sistema de monitorización denominado
GolfSense (Vicente et al., 2010) basada en una aplicación de WSN en un campo de golf.
Emplean sensores de suelo modelo EC-5 de la marca Decagon para medir el contenido
volumétrico de agua en el suelo y sensores de temperatura AD22103. Se valen de motas
MicaZ que pueden trabajar en enlaces multi-salto y de una placa (sensor board) que
sirve de pasarela de comunicación entre los sensores analógicos y la mota MicaZ,
desarrollan también un algoritmo para la medición de los sensores y ajustar la
frecuencia del muestreo entre otras cosas. A pesar de lo explicado en GolfSense, no se
menciona la planificación de la gestión de energía para alimentar al “Sensor Board”, la
mota MicaZ, y los sensores. Tampoco se explica la interfaz “usuario-sistema” que debe
ANTECEDENTES
37
manejar el encargado del campo de golf. Tampoco se define el cuidado de la estética en
la ubicación de los dispositivos sobre el campo de golf, que como se ha observado en
diferentes visitas a campos de golf, es un aspecto muy importante.
Otro estudio realizado relacionado al uso de la WSN en los campos de golf el que se
detalla en (Wang et al., 2011). Aquí se realiza una variación del algoritmo adaptivo de
Huffmann para comprimir los datos que se recogen de los nodos sensores y reducir su
volumen al momento de transmitirlos inalámbricamente. Pero en este estudio no se
menciona el costo de procesamiento extra para comprimir y descomprimir la
información, más aún el tiempo que trabaja el procesador para realizar esta operación y
su consumo de energía.
CAPÍTULO 3
MATERIAL Y MÉTODOS
MATERIAL Y MÉTODOS
39
3.1 Hardware 3.1.1 La plataforma de los nodos sensores
Para el despliegue de la WSN se ha empleado motas de diseño de código abierto
CM5000-SMA (figura 18) basadas en la plataforma “Telosb” (Telos Revision B) por
ser una de las más difundidas y estudiadas y con mayor documentación disponible. Se
les ha colocado antenas de 5 dBi de ganancia. Estas se encargan de la recolección y
transporte de los datos del suelo, así mismo tienen integrados sensores de humedad,
temperatura y dos de luz para medir la radiación fotosintéticamente activa y la radiación
solar total. El tiempo de muestreo que se utiliza es de 5 minutos.
Figura 18. Imagen de una mota “CM5000-SMA” indicando sus partes.
CM5000-SMA es una plataforma que aprovecha los estándares de la industria como el
uso del USB y IEEE 802.15.4 para operar sin problemas con otros dispositivos. Se usa
para los enlaces de las redes de sensores inalámbricos de bajo consumo de energía y
MATERIAL Y MÉTODOS
40
tiene integrado una antena en su placa, así como sensores de humedad, temperatura y
luz. Su micro-controlador MSP430 está basado en basado en un RISC de 16 bits de bajo
consumo fabricado por la empresa Texas Instruments, lo cual le confiere la capacidad
de poder trabajar con bajo consumo de energía empleando para ello un par de baterías
AA.
Se muestra un diagrama de bloques de la mota CM5000-SMA en la figura 19 y sus
principales funciones son listadas en la tabla 2.
Tabla 2. Funciones de la mota CM5000-SMA (ADVANTICS, 2010):
Ítem Especificación Descripción Procesador Modelo del procesador TI MSP430F1611 Texas Instruments familia MSP430 Memoria 48KB
10KB 1MB
Programa flash Data RAM Flash externo(ST® M25P80)
ADC 12bit de resolución 8 canales Interfaces UART, SPI, I2C
USB Interfaces seriales Interface de sistema externo ( FT232BM)
Radio RF Chip TI CC2420 Módulo inalámbrico IEEE 802.15.4 2.4GHz Banda de Frecuencia 2.4 ~ 2.485GHz Compatible con IEEE 802.15.4 Tasa de transferencia 250Kbps Compatible con IEEE 802.15.4 Potencia RF -25dBm ~ 0dBm Configurable por software Alcance ~300m(outdoor),
40~50m(indoor) Con antenas estándar de 5dBi
Consumo de corriente RX: 18.8mA TX: 17.4mA modo Sleep: 1uA
Modos de potencia de RF más bajos reducen el consumo.
Sensibilidad -95dBm Sensibilidad del receptor Sensores Luz 1 Hamamatsu® S1087 Rango Visible (560 nm pico) Luz 2 Hamamatsu® S1087-
01 Visible & Rango Infrarojo (960 nm pico)
Temperatura & Humedad Sensirion® SHT11 Rango Temperatura: -40 ~ 123.8 ºC Resolución Temperatura: : ± 0.01(típica) Exactitud Temperatura: ± 0.4 ºC (típica) Rango Humedad: 0 ~ 100% RH Resolución Humedad: 0.05 (típica) Exactitud Humedad: ± 3 %RH (típica)
MATERIAL Y MÉTODOS
41
Figura 19. Diagrama de bloques de la mota CM5000-SMA (ADVANTIC, 2010).
A continuación se explicará la forma de transformar los valores que registra la mota a
partir de los sensores integrados en ella.
3.1.1.1 Sensor de Humedad/Temperatura (Sensirion SHT11) El sensor SHT11 está integrado a la placa de la mota por defecto y registra los valores
de humedad y temperatura ambientales. Dado que el sensor de humedad tiene un
comportamiento no lineal, esto se compensa a través de la fórmula siguiente (Advantic,
2010):
Siendo las constantes,
.
MATERIAL Y MÉTODOS
42
Por ejemplo si los datos en bruto de la humedad ( ) valen 1007, entonces el valor
final para la humedad relativa será:
Para los valores de temperatura, se usa la siguiente fórmula (Advantic, 2010):
Siendo las constantes,
Por ejemplo si el dato en bruto es 7788, entonces el valor final para la temperatura será:
MATERIAL Y MÉTODOS
43
Figura 20. Exactitud de los sensores de a) humedad relativa a la izquierda y b)
temperatura a la derecha. (Sensirion, 2011).
3.1.1.2 Sensores de Luz (Hamamatsu S1087 / S108701)
La mota tiene dos sensores de luz (fotodiodos), el Hamamatsu S1087, para el espectro
de la luz visible (320 to 730 nm), también conocido como radiación fotosintéticamente
activa (PAR) y S1087-01 para monitorizar la radiación solar total (TSR) en los rangos
de 320 a 1100 nanómetros. En ambos casos son medidos en lux (Hamamatsu, 2001).
De la misma manera, basado en la hoja de especificaciones técnicas del CM5000-SMA
y sus fotodiodos, los valores de la luz (lx) es encontrada después de la siguiente
conversión:
En la figura 21 se observa la respuesta en la corriente de salida respecto al nivel de luz
que reciben los sensores.
MATERIAL Y MÉTODOS
44
Figura 21. Nivel de luz incidente Vs Corriente de salida (Hamamatsu, 2001).
3.1.1.3 Voltaje interno de la mota
El voltaje interno del sensor usa un micro-controlador de 12-bit ADC (convertidor
análogo-digital). Y para conocer el voltaje que es obtenido en voltios a partir de los
datos en brutos ADC emplea la siguiente expresión (Boomerang, 2011):
; Donde = 1.5V.
Como los sensores de voltaje interno monitorean , para obtener el valor de la
fuente de voltaje de la mota ( ) es necesario multiplicar el valor resultante por 2.
3.1.1.4 Sensor de suelo
a) Decagon EC-20
Uno de los sensores más usados para medir el contenido de agua en el suelo es el sensor
de suelo por capacitancia, que monitoriza detalladamente el contenido de agua a bajo
MATERIAL Y MÉTODOS
45
coste. Este tipo de sensor usa la capacitancia para medir la aparente constante dieléctrica
del medio que rodea a la sonda. El sensor recibe un voltaje de excitación y luego lo
retorna disminuido. El proceso finaliza cuando el voltaje disminuido es transformado
por medio de ecuaciones a una unidad de medida entendible para el usuario final, por
ejemplo en m3/m3 (Sakaki, 2008).
En la actualidad la empresa Decagon Devices, Inc. es una de las compañías que produce
los sensores de capacitancia más difundidos, estudiados y que han sido empleados en
diversos proyectos. Durante los años 2001-2009 la empresa Decagon fabricó el sensor
de suelo de capacitancia EC-20 y fue reemplazado por el modelo EC-5 en el año 2010.
Hoy en día Decagon ha retirado de su catálogo de ventas el modelo EC-20 pero se
puede conseguir haciendo pedidos a minoristas o encargos especiales a Decagon y se
sabe que hay actualmente alrededor del mundo más de 5,000 sensores EC-20
funcionando (Bogena, 2007).
El EC-5 al trabajar con una frecuencia de 70 MHz, superior a la del EC-20 que es
menor a los 10 MHz, le confiere menor sensibilidad a las fluctuaciones de
conductividad eléctrica/salinidad y temperatura, y muestra un mejor desempeño en los
suelos saturados que son aquellos con un alto contenido de humedad (Bogena, 2007;
Parsons, 2009). A pesar de lo expuesto, estudios recientes revelan que a través de
calibraciones con métodos de laboratorio se puede mejorar la exactitud de los sensores
EC-20 (Pradoset al.2010; Kinzli et al., 2012). Por este motivo y porque los campos de
golf suelen presentar un suelo arenoso, los cuales raramente se saturan se elige el EC-20
que es fácil de instalar; tiene un precio relativamente económico y necesita de poco o
ningún mantenimiento. Otra razón importante para su elección es que el EC-20
consume menor cantidad de energía (2.5VDC @ 2mA a 5VDC ) a comparación del
EC-5 (2.5VDC - 3.6VDC @ 10mA ) aspecto relevante cuando trabaje en conjunto con
MATERIAL Y MÉTODOS
46
la WSN pues se comunica y alimenta directamente de la mota TelosB; de ese modo al
tener un menor consumo de energía, se permite un mayor tiempo de vida de la batería
de la mota (Decagon, 2012).
El EC-20 tiene una longitud de 20.5 cm, un ancho de 3.1 cm y un grosor de la hoja de
0.1 cm y 6 cm de longitud en la parte superior del sensor (ver figura 22). Mide el
contenido volumétrico de agua que rodea a la sonda que puede ir desde los 128 a
los 256 . Sus mediciones se realizan de 1 a 2 cm de distancia de cada lado de la
hoja de la sonda (Kinzli et al., 2012).
Figura 22. Sensor de suelo Decagon EC-20.
El sensor de suelo Decagon EC-20 mide el contenido volumétrico de agua y se conecta
con los conectores de expansión de 6 y 10 pines de la mota Telosb. El hilo de tierra del
sensor de suelo se conecta con el pin de tierra del nodo, el de excitación con el pin GIO
y su salida analógica con el pin ADC. Dado que el sensor de suelo tiene un conector de
audio, se utiliza un jack de audio como interfaz para la interconexión entre el sensor de
suelo y la mota TelosB. Se puede apreciar la interconexión entre el sensor de suelo y la
mota en la figura 23.
MATERIAL Y MÉTODOS
47
Figura 23. El sensor de suelo conectado a uno de los nodos TelosB de la WSN. Arriba en el laboratorio. Abajo en el campo.
b) Decagon 5TE El sensor Decagon 5TE (figura 24) además de medir la humedad (VWC), mide también
la temperatura y conductividad eléctrica del suelo. De acuerdo a sus especificaciones,
tiene un consumo de 0.3 mA en su estado de inactivo y necesita una excitación externa
de 3.6-15 V a 10 mA durante 150 ms para la recogida de muestras (Decagon, 2013b).
La salida que lleva los datos registrados del sensor es la SDI-12 (Serial Data Interface a
1200 baudios) y esta se conecta con la entrada UART de la mota TelosB.
MATERIAL Y MÉTODOS
48
Figura 24. Sensor de suelo Decagon 5TE (Decagon, 2013b).
Dado el voltaje de excitación que necesita para realizar sus operaciones debe contar con
una fuente de alimentación externa que trabaje en conjunto la mota TelosB. En ese
sentido hay contribución de diseño indicando todos los elementos necesarios para su
elaboración descrito en (ASU, 2013), se basa en una interface similar a la que se aprecia
en la figura 25. Allí se menciona al sensor de suelo ECH20, sin embargo este sensor
está fuera del catálogo de ventas de la empresa Decagon y ha sido reemplazado por su
nueva versión, modelo 5TE que posee las mismas especificaciones de consumo
energético en su funcionamiento que su par anterior.
MATERIAL Y MÉTODOS
49
Figura 25. Interface del sensor de suelo 5TE para su trabajo conjunto con la mota TelosB (ASU, 2013).
3.1.1.5 Protección de las motas en exteriores
Ya que las motas son dispositivos electrónicos, deben ser protegidos de forma similar a
la figura 26 para limitar su contacto con elementos naturales que podrían causarles
daños. Por ejemplo para evitar problemas con la lluvia o el polvo es preferible
colocarles una protección externa que cumpla con la norma IP65 (IEC, 2006).
Figura 26. Protección de una mota.
MATERIAL Y MÉTODOS
50
3.1.2 El Servidor Sheevaplug
Aunque se puede utilizar cualquier equipo que cumpla la función de servidor, se utiliza
un equipo con arquitectura embebida por tener más portabilidad, una mejor integración
en el campo y un mayor ahorro de energía. Se emplea la computadora de enchufe
Sheevaplug (Tangadpalliwar et al., 2011) que opera con un procesador Feroceon
88FR131 rev 1 (v5l) también conocida como Marvel Sheeva 1.2 GHz (ARMv5TE),
tiene 512 MB de SDRAM y para su conectividad posee un puerto USB 2.0, un puerto
JTAG mini USB, un puerto Gigabit Ethernet y lleva instalado como sistema operativo
un sistema GNU/Linux embebido (Debian 6.0). En la figura 27 se aprecia al Sheevaplug
operando junto a una mota TelosB.
Inicialmente el Sheevaplug tiene una memoria flash de 512 MB, pero para aumentar la
capacidad de almacenamiento de la Base de Datos se inserta en su lector de tarjetas SD
una memoria de 8GB. Se puede enchufar directamente a una fuente de 230 AC.
Figura 27. El servidor “Sheevaplug” con su conexión USB al nodo sumidero (la mota TelosB), el cable de red para su acceso a Internet, una memoria SD que almacena los datos de la Base de Datos y el cable de alimentación. A modo de comparación se muestra una moneda de 5 céntimos de euro.
MATERIAL Y MÉTODOS
51
3.1.3 La placa Alix - SBC (Single-board computer)
La placa Alix (PC, 2012a) es una “computadora empotrada” construida en una sola
tarjeta de circuito impreso (PCB, printed circuit board). No lleva ningún sistema
operativo específico, pero para este fin posee ranura donde se puede insertar una
memoria tipo Compact Flash (CF) con el software que necesite. Al ser un sistema x86
tiene la ventaja de trabajar con las distintas aplicaciones de redes conocidas de alto nivel
(Camacho et al., 2009). La placa Alix2c0 es una de las empleadas en la red del Napo
(Feliz, 2011) y además de cumple con las funciones de enrutador inalámbrico WiFi
también es usado como una PBX IP porque se instala el sistema Asterisk dentro de su
unidad de disco para manejar las llamadas telefónicas. La placa es alimentada todo el
tiempo por batería que a su vez son cargadas por paneles solares (Simó et al., 2008;
Feliz, 2011) dado que en su ubicación remota no llegan los servicios de la red pública
de electricidad y telecomunicaciones (telefonía o internet).
En la red es usado el modelo alix2c0. Este de acuerdo a especificaciones de su placa,
tiene la posibilidad de trabajar con puerto USB (PC, 2013b) aspecto relevante, porque
desde este puerto se puede comunicar con la mota sumidero, en todo caso cuenta con un
puerto serial al que también se le podría colocar un adaptador UART-USB.
MATERIAL Y MÉTODOS
52
Figura 28. Imagen de una placa alix2c0 (PC,2013a).
Entre los elementos que se pueden distinguir en la figura 28 son las espacios donde se
inserta la tarjeta Compact Flash que contiene el sistema operativo Voyage (Voyage,
2013), (la ranura más pequeña, de color blanco) y los dos compartimientos miniPCI (de
color negro) lugar donde se colocan las tarjeta inalámbrica para los enlaces WiFi de
larga distancia.
A continuación se listan algunos detalles de la placa alix2c0 (PC,2013a).
• CPU: 433 MHz AMD Geode LX700.
• DRAM: 128 MB DDR DRAM
• Almacenamiento: Compartimiento para insertar la tarjeta CompactFlash
• Alimentación: 7V a 20V
• Conectividad: 2 canales Ethernet, 1 ranura miniPCI, 1 puerto serial
MATERIAL Y MÉTODOS
53
3.2 Software
Se utiliza la pila de protocolos 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal
Area Networks) (Kushalnagar et al., 2007, Montenegro et al., 2007; Hui et al., 2011)
cuya implementación por TinyOS es denominada BLIP 2.0 (en su segunda versión) en
todos los nodos de la red (TinyOS, 2013c). A cada uno de ellos se le asigna una
dirección IPv6, y la comunicación se realiza por enlaces de un solo salto y enlaces
multi-saltos si la cobertura inalámbrica entre el nodo en cuestión y el nodo sumidero se
encuentra fuera de su alcance.
3.2.1 El nodo Sumidero
Por su parte al nodo sumidero se le instala la aplicación Ppprouter que viene por defecto
en TinyOS 2.x, con esta aplicación instalada en la mota TelosB, esta se comporta como
un router de borde, comunicándose su interfaz inalámbrica con la WSN (enlaces
802.15.4) y por su puerto USB con la PC embebida que en conjunto forman el gateway.
3.2.2 Los Nodos Sensores
Se han desarrollado dos aplicaciones escritas en lenguaje NesC (Levis, 2005) que se
instalan en los nodos sensores. Se basan en las aplicaciones expuestas en (Becker, 2012;
Bannister, 2008; Panchard et al., 2006) y están programadas para obtener los valores del
sensor de suelo externo Decagon EC-20 o 5TE y de los sensores integrados en los nodos
(humedad, temperatura, PAR, TSR).
MATERIAL Y MÉTODOS
54
En el caso del sensor de suelo Decagon EC-20, la mota TelosB es excitada por un
intervalo de tiempo de 10 ms y este le retorna el valor de la humedad a uno de sus
puertos ADC. La comunicación entre los datos de humedad recogidos por el sensor de
suelo y la mota TelosB se llevará a cabo a través del componente Msp430Adc12ClientC
y su correspondiente interfaz. Así por ejemplo, se establece en el código fuente un pin
ADC para que reciba los datos de la salida analógica del sensor de suelo. Para la lectura
de la salida analógica del sensor de suelo se necesitará una resolución mínima de 12 bits
(Decagon, 2013a), siendo éste otro de los motivos por el cual se emplea la mota TelosB.
De acuerdo con la hoja de datos del sensor de suelo EC-20 (Decagon, 2013a), el sensor
trabaja normalmente mientras el voltaje de la batería supere los 2.0 V. Sin embargo, hay
que tener en cuenta que el voltaje mínimo necesario es de 2.1 V para que opere
correctamente el módulo de radio de la mota.
Para utilizar el sensor de suelo Decagon 5TE en comunicación con la mota TelosB debe
haber una interface intermedia entre estos dos dispositivos como la mostrada en la
figura 25 cuya interface es descrita en (ASU, 2013). Así, la mota envía una señal a
través de uno de sus puertos ADC a dicha interface para que su circuito abra paso al
voltaje con el que se excita al sensor 5TE (3.5V durante 150 ms), la señal de retorno con
la información de los valores registrados (formato SDI-12) ingresa en el pin UART de
la mota TelosB. Hay que resaltar que el uso de este modelo de sensor de suelo exige la
necesidad de baterías externas ya el voltaje que necesita es mayor al que le puede
proporcionar la mota.
MATERIAL Y MÉTODOS
55
A lo largo del presente documento se menciona el uso del sensor de suelo EC-20 como
una solución con menor consumo de energía, sin embargo se puede emplear también
del modelo 5TE teniendo en cuenta sus requerimientos de alimentación antes
mencionados.
La mota Telosb tiene 6 puertos ADC disponibles en sus conectores de expansión U2 y
U28 como se observa en la figura 29, además posee 2 puertos ADC más que son usados
por los sensores de luz que vienen integrado a la mota.
Figura 29. Puertos ADC (color naranja) disponibles en la mota TelosB .
Cada uno de los puertos ADC puede manejar de 1.5 a 6 mA como corriente de salida,
siempre que la combinación de todas sea menor a los 12 mA (Texas, 2013)
Si se quieren adjuntar varios sensores de suelo EC-20 a la mota, se debe tener en cuenta
el valor de la corriente de salida(s) que puede ofrecer uno de los pines ADC, que
actuaría como excitador del sensor de suelo. Por lo tanto, si se quiere utilizar todos los
MATERIAL Y MÉTODOS
56
puertos ADC posibles de la mota, para trabajar en conjunto con los sensores de suelo,
sería recomendable el uso de una interface externa como la descrita en (ASU, 2013),
bajándole en su diseño, el nivel de tensión de 6V a 5V que es lo máximo que soporta el
EC-20.
3.2.2.1 Enrutamiento de los nodos sensores
El enrutamiento de los nodos sensores trabaja con TinyRPL, que encuentra las rutas de
forma autónoma sin la necesidad de configurarlas manualmente. Esto le confiere un
enfoque realista al momento del despliegue de los sensores porque no importa la
posición de los nodos, siempre que haya línea de vista entre ellos, haciendo que el
proyecto se pueda replicar en cualquier área geográfica sin tener en cuenta la
distribución física de los nodos dentro de la WSN.
Dado que el enrutamiento es dinámico en la red de sensores, estos encontrarán su ruta
automáticamente.
Si operan con su máximo de potencia de transmisión (0dBm), se podrán comunicar
directamente con el nodo sumidero en enlaces de un solo salto, si la distancia entre la
mota sensor y la sumidero es menor a los 320 metros (Afanasyev et al., 2010). En caso
de que la distancia sea mayor, se establecerán enlaces multi-saltos para comunicarse con
el nodo sumidero, para este fin se utiliza el protocolo de enrutamiento RPL (Winter et
al., 2012).
3.2.2.2 Ahorro de energía En TinyOS se utiliza su mecanismo de LPL (Low Power Listening) como protocolo
MAC para la eficiencia del manejo de la energía; de este modo se controla el ciclo de
trabajo en las radios en todos los nodos (TinyOS,2013d). Así se consigue mayor tiempo
MATERIAL Y MÉTODOS
57
en la autonomía de las baterías principalmente porque el mayor consumo de energía de
los nodos se produce cuando la radio está operando. Siendo esta de 17.4 mA y 19.7 mA
en la transmisión y recepción respectivamente. El concepto de LPL consiste en que
periódicamente, en un intervalo de tiempo llamado , se comprueba la actividad del
medio inalámbrico usando un CCA (Channel Clear Assessment) antes de transmitir
(Engstrom et al.,2008; Haas y Wilke,2011).
En LPL el parámetro sleep_interval ( ) se configura como el periodo de tiempo que
la radio inicia su proceso de inactividad y está dado en ms. Sin embargo, si bien se
configura en todos los nodos, en el caso del nodo sumidero, no es importante tener en
cuenta el tiempo de vida de las baterías debido a que se alimenta de la energía que le
brinda la conexión USB por parte del Gateway con el que se comunica directamente
(Sheevaplug o Alix).
3.2.3 El servidor
El servidor trabaja con la estructura LAMP (Linux Apache MySQL y PHP), almacena
la información procedente de los sensores de la red en una base de datos y exhibe los
datos a través de páginas web dinámicas desarrolladas que muestran los valores
obtenidos de una manera fácil y cómoda a los usuarios a través de internet.
Los datos que se envían desde la mota sumidero al servidor se reciben a través de un
socket UDP. Un script recoge los datos en bruto y los convierte a sus respectivas
unidades de medida (por ejemplo, la temperatura se guarda en grados centígrados).
MATERIAL Y MÉTODOS
58
Aparte de ello tiene configurado un “cron” que periódicamente revisa las alertas
registradas en la base de datos para enviar un correo electrónico al destinatario
establecido.
El servidor aloja un script que se ejecuta automáticamente cada vez que se arranca para
inicializar las comunicaciones de la WSN y el registro de los valores en la base de
datos. Con ello se asegura un funcionamiento autónomo si por algún motivo fuese
reiniciado.
3.2.3.1 La aplicación web
La aplicación web servirá de interface con el usuario final y se dará a conocer una breve
descripción del proyecto con algunas imágenes y esquemas del mismo. Principalmente
se mostrará al usuario final los datos en tablas y gráficas.
Para la visualización de los datos se podrá especificar un intervalo de tiempo a través de
calendarios y horarios. También se verá en tiempo real la variación de las gráficas de
acuerdo al intervalo de tiempo con que los valores obtenidos se van almacenando en el
servidor.
La aplicación web se ha dividido en 7 secciones: Home, Values, Graph, Graph RT,
Config, Alert y Map. En la sección “Home” se da una breve explicación de lo que
consiste el proyecto, en la sección “Values” se muestra los datos en forma de tablas
mientras que en la sección “Graph” se muestran los datos gráficamente. En ambos casos
primero se indicará el número identificativo del nodo, la variable ambiental que desea
analizar (temperatura, humedad, voltaje, TSR, PAR o VWC). Para comodidad y
MATERIAL Y MÉTODOS
59
precisión en la visualización de los datos se acota los tiempos a través de calendarios y
horarios. De manera similar en la sección “Graph RT” se grafica automáticamente los
datos en la pantalla cada vez que van llegando los valores. Para la realización de los
gráficos se emplea la libreria jQuery de Javascript llamada “Flot”, el mismo que es
empleado también por el servicio meteorológico europeo “MyOcean” (MyOcean,
2013).
En la sección “Config” se realiza la configuración de todo el sistema, como cambiar el
nombre de los nodos (colocarles un alias), habilitar o deshabilitar ciertos sensores, subir
una imagen con un mapa en particular, establecer valores umbrales máximos, mínimos
y cuánto tiempo tiene que pasar cada uno de ellos para que se active una alarma,
también se establece el correo electrónico de la persona a quien se le va a enviar el
mensaje con la alarma automáticamente, etc.
En la sección “Alert” se muestran las alertas activadas de acuerdo a lo que se estableció
en la sección “Config”. Mientras están activas las alarmas se envía periódicamente un
correo electrónico informando del problema. En “Alert” también se desactivan las
alarmas si el problema ha sido solucionado por el usuario.
En “Map” se aprecia el mapa del campo de golf que es una imagen que el usuario sube
al servidor en “config”. Aquí se percibe de manera rápida el comportamiento de la red,
es decir se aprecian los nodos activos de color verde y de color rojo los que presentan
algún tipo de problema como una comunicación “caída” o una alerta activada. Aparte de
ello, los nodos al darles un clic, muestran los valores de los sensores en ese instante. El
MATERIAL Y MÉTODOS
60
usuario los ubica en el mapa, arrastrándolo simplemente con el cursor, su posición final
ya queda almacenada cada vez que se vuelve a cargar la página.
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
62
4.1 El despliegue de la WSN en corta distancia: Sistema de monitorización aplicado a la agricultura intensiva. 4.1.1. Introducción
El objetivo principal de la presente aplicación es desarrollar y desplegar un sistema de
monitorización avanzado utilizando la tecnología WSN para el entorno agrícola, que
ayude al agricultor a la toma de decisiones para mejorar el rendimiento del cultivo.
Los objetivos específicos son:
a) Diseñar una red de sensores para monitorizar el contenido volumétrico de agua
del suelo (VWC), la humedad, temperatura y luz sobre un campo de
invernadero.
b) Diseñar un sistema que permita la recolección de los datos de la red de sensores,
los almacene en una base de datos y permita mostrarlos a través de una interfaz
web.
c) Evaluar el rendimiento de la WSN.
4.1.2. Parámetros de medición en un invernadero
Para mejorar la productividad de un invernadero es fundamental tener información
sobre los parámetros de luz, suelo, aire y agua de manera que se pueda controlar
adecuadamente el crecimiento y calidad de los productos que se cultivan (Postolache et
al., 2012). Los parámetros que analizamos son:
a) Parámetros del aire. Los parámetros del aire que se van a controlar son los
siguientes:
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
63
1) Humedad relativa y temperatura. La humedad relativa indica que
porcentaje de la máxima cantidad de humedad está presente en el aire y
guarda relación opuesta con los cambios de temperatura diaria. Estos
conforman las condiciones climáticas necesarias para el crecimiento de
los cultivos que pueden variar de acuerdo a la ventilación que se
proporcione. La insuficiencia en el contenido de humedad en el aire que
respiran las plantas puede conducir al cierre de sus estomas y por
consiguiente disminuir el intercambio de dióxido de carbono,
provocando la disminución de la función fotosintética de la planta.
2 Radiación solar total (TSR) y la radiación fotosintéticamente activa
(PAR). En diversas especies la insuficiencia de luz limita el crecimiento
de muchos cultivos. Esto motiva que en algunos casos los agricultores
proporcionen una iluminación suplementaria con objeto de incrementar
el total de la PAR que una planta recibe diariamente. Dicha sumatoria de
luz total recibida en un día se le denominada DLI (Luz Integral Diaria).
Así, incrementando el DLI se puede aumentar la tasa de crecimiento de
las especies adaptadas al sol reduciendo el tiempo necesario para
producir un cultivo. Esta práctica contribuye a la horticultura sostenible
reduciendo el impacto ambiental, conservando recursos y mejorando la
viabilidad económica en los invernaderos con repercusión directa en la
eficiencia del agua (Garland et al., 2011)..
b) Parámetros del suelo.
El agua es otro de los elementos principales e indispensables que debe ser
controlado para velar por el adecuado crecimiento y mantenimiento de las
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
64
plantas. El estudio del contenido volumétrico de agua en el suelo indica cuánta
agua está presente en el substrato. De acuerdo al análisis gravimétrico puede ser
expresado como:
Masa de agua / Masa del material sólido
4.1.3. Redes de sensores
La WSN está compuesta por varios dispositivos llamados nodos sensores que son
capaces de percibir cambios en el ambiente, agregando los datos y transmitiéndolos al
nodo vecino para ser mostrados finalmente en una interfaz gráfica al usuario a través de
redes multi-salto. Están dotados con una variedad de sensores tales como temperatura,
humedad, detección de componentes volátiles, etc. que permiten la monitorización de
diferentes ambientes.
La WSN permite el procesamiento en tiempo real al mínimo costo en los lugares donde
las condiciones físicas cambian rápidamente sobre el espacio y el tiempo. Además,
permite a los agricultores tener un sistema de apoyo para la toma de decisiones que
permita maximizar la productividad del cultivo. También la WSN elimina las
dificultades de cablear las estaciones sensoras a través del campo reduciendo los costes
de mantenimiento. Debido a que la instalación de una WSN es más fácil que una red
cableada, los sensores pueden ser densamente desplegados para proporcionar datos
locales detallados. Así, por ejemplo, en vez de irrigar un extenso campo, en respuesta a
datos generales de un sensor, cada sección puede ser activada basada en sensores
locales.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
65
Optimizar el rendimiento de los cultivos en la agricultura intensiva no depende
únicamente del uso de sistemas de irrigación de precisión, sino que también es necesario
el uso de herramientas que permitan ayudar al agricultor a monitorizar y automatizar la
programación del riego aplicando agua de forma precisa para satisfacer los
requerimientos del cultivo. Por este motivo, aun cuando hoy en día existen tecnologías
enfocadas a la agricultura para reducir costes y mejorar la productividad total, existe una
escasa atención por parte de los investigadores y desarrolladores en conseguir una
exitosa integración de las redes de sensores y los sistemas de apoyo a la toma de
decisiones, lo que es probablemente una de las mayores barreras para satisfacer la
implementación y adopción de esos sistemas por parte de los agricultores.
4.1.4. Diseño del sistema
El sistema está compuesto por tres elementos (figura 30): a) los sensores que leen la
información ambiental; b) la red WSN que transporta los datos; y c) el servidor que
recibe, almacena y muestra los datos.
Figura 30. Arquitectura propuesta.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
66
4.1.4.1 Sensores
Los sensores son los encargados de recolectar los valores de las variables ambientales
del aire y del suelo de la zona de cultivo y transportarlos hasta el nodo sumidero. Se
emplean los sensores integrados en los dispositivos inalámbricos (motas) y sensores
externos de suelo que se acoplan a las motas.
4.1.4.2 Red de sensores
La WSN está formada por los nodos sensores que envían la información recolectada al
nodo sumidero (multipoint-to-point) que cumple también la función de router de borde.
Si los nodos están alejados del nodo sumidero a una distancia mayor de 320 metros
(Afanasyev et al., 2010) es necesario realizar multi-saltos y para este fin se utiliza el
protocolo de enrutamiento RPL (Winter et al., 2012).
La WSN utiliza la tecnología 6LoWPAN que se utiliza en redes inalámbricas de área
personal de baja potencia (LoWPANs) que son redes aisladas IPv6. Una LoWPAN es
un conjunto de nodos 6LoWPAN que comparten en común un prefijo de dirección
IPv6. De los tres tipos de LoWPANs que hay (Simple LoWPAN, Extended LoWPAN y
Ad hoc LoWPAN), nuestro estudio está enfocado al llamado "Simple LoWPAN"
(Shelby y Bormann, 2009).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
67
4.1.4.3 El servidor
El servidor se encarga de almacenar en una base de datos la información recolectada por
la WSN para poder mostrarla a los clientes, a través de la web, de una forma cómoda y
sencilla.
4.1.5. Descripción del hardware
A continuación se describe el hardware utilizado en el sistema.
4.1.5.1 Motas TelosB
Para el despliegue de la WSN se ha empleado motas de diseño de código abierto
basadas en la plataforma “Telosb” con antenas de 5 dBi de ganancia.
Estas se encargan de la recolección y transporte de los datos del suelo, así mismo tienen
integrados sensores de humedad, temperatura y dos de luz para medir la radiación
fotosintéticamente activa y la radiación solar total. El tiempo de muestreo que se utiliza
es de 5 minutos.
4.1.5.2 Sensor de suelo
Entre los sensores de humedad de suelo más utilizados y estudiados actualmente se
encuentran los fabricados por la empresa Decagon. Cuenta con varios modelos (EC-5,
EC-10 y EC-20) cuya principal diferencia es el tamaño del sensor del suelo. Se utiliza el
modelo EC-20 principalmente por su bajo consumo de energía que es alrededor de
2mA a 2.5V, aspecto relevante cuando trabaje en conjunto con la WSN pues se
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
68
comunica y alimenta directamente de la mota TelosB, de ese modo al tener un menor
consumo de energía permite un mayor tiempo de vida de la batería de la mota.
En la figura 31 se aprecia la caja de comunicaciones que contiene al nodo sensor, desde
donde sale un cable de color negro que lo comunica con el sensor de suelo en el
invernadero.
Figura 31. El sensor de suelo trabajando en el interior del invernadero.
El sensor de suelo Decagon EC-20 mide el contenido volumétrico de agua y se conecta
con los conectores de expansión de 6 y 10 pines de la mota Telosb. El hilo de tierra del
sensor de suelo se conecta con el pin de tierra de la mota, el de excitación con el pin
GIO y su salida analógica con el pin ADC. Dado que el sensor de suelo tiene un
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
69
conector de audio, se utiliza un jack de audio como interfaz para la interconexión entre
el sensor de suelo y la mota TelosB.
4.1.5.3 Servidor
Aunque se puede utilizar cualquier equipo que cumpla la función de servidor, se utiliza
uno con arquitectura embebida por tener más portabilidad, una mejor integración en el
invernadero y un mayor ahorro de energía. Se emplea la "computadora de enchufe"
Sheevaplug (figura 32) que opera con un procesador ARM de 1,2 GHz y un sistema
GNU/Linux embebido (Debian 6.0). Inicialmente el Sheevaplug tiene una memoria
interna de 512 MB, pero para aumentar la capacidad de almacenamiento de la Base de
Datos se utiliza una tarjeta SD de 8GB.
Figura 32. Vista frontal del servidor Sheevaplug con su puerto USB y LAN trabajando.
Dependiendo de la ubicación del nodo sumidero y el servidor, la computadora de
enchufe Sheevaplug (Tangadpalliwar et al., 2011), se puede por ejemplo tener una
disposición de los nodos similar a la mostrada en la figura 33 donde el nodo sumidero
se ubica en una esquina (junto a su servidor) o en cualquier otra donde se encuentre
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
70
alimentado por una toma de datos y electricidad, y los nodos sensores por su parte
distanciados del sumidero a menos de 200 metros. En un invernadero con dimensiones
de área de 10.000 m2, la WSN trabajaría en enlaces de un solo salto con un buen
desempeño en sus comunicaciones tal como se aprecia en la tabla 8. No obstante si se
tratasen de distancias mayores a 200 metros, los nodos sensores entablarían sus
comunicaciones con el sumidero a través de enlaces multi-salto.
Figura 33. Disposición del nodo sumidero (color rojo) y nodos sensores (color verde) en un invernadero de 10.000 m2
4.1.6 Descripción del software
4.1.6.1 Implementación en TinyOS
Las motas TelosB utilizan el sistema operativo de código abierto TinyOS que cuenta
con una arquitectura basada en componentes y tiene un modelo de ejecución dirigida
por eventos (Levis et al., 2005). Utiliza la pila de protocolos 6LoWPAN implementada
por TinyOS denominada Blip en su segunda versión (BLIP 2.0) en todos los nodos de la
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
71
red (Ko et al., 2011b). A cada uno de ellos se le asigna una dirección IPv6, y la
comunicación se realiza por enlaces de un sólo salto o multi-saltos dependiendo si la
cobertura inalámbrica entre el nodo en cuestión y el nodo sumidero se encuentra fuera
de su alcance.
4.1.6.2 El nodo Sumidero
El nodo sumidero tiene instalado la aplicación PppRouter que le permite actuar como un
router de borde para BLIP 2.0 pues hace que una de sus interfaces se comunique por el
enlace USB con el servidor y la otra con la 6LoWPAN sobre 802.15.4.
4.1.6.3 Los Nodos Sensores
La aplicación desarrollada (6LoWSoft_20) se instala en los nodos sensores. Se basa en
las aplicaciones expuestas en (Becker, 2012; Panchard et al., 2006) y está programada
para obtener los valores del sensor de suelo externo Decagon EC-20 y de los sensores
integrados en los nodos.
La comunicación entre los datos de humedad recogidos por el sensor de suelo y la mota
TelosB se lleva a cabo a través del componente Msp430Adc12ClientC y su
correspondiente interfaz. Así, por ejemplo, se establece en el código fuente al pin
ADC0, para que reciba los datos de la salida analógica del sensor de suelo.
Para leer la salida analógica del sensor de suelo se necesita una resolución mínima de 12
bits, siendo éste uno de los motivos por el cual se emplea la mota TelosB.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
72
De acuerdo con la hoja de datos del sensor de suelo, este trabaja correctamente mientras
el voltaje de la batería supere los 2.0 V. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el
voltaje mínimo necesario de la mota para que opere correctamente su radio es de 2.1 V.
4.1.6.4 Ahorro de energía
Para controlar el ciclo de trabajo en las radios de las motas se añade la función LPL
(Low Power listening) (TinyOS, 2013d) en todos los nodos. De esta manera se consigue
mayor tiempo en la autonomía de las baterías principalmente porque el mayor consumo
de energía de los nodos se produce cuando la radio está operando, y es de 17.4 mA ó
19.7 mA en la transmisión y recepción respectivamente. Con LPL, un nodo enciende su
radio el tiempo suficiente para detectar una portadora en el canal. Si detecta la señal
portadora mantiene la radio encendida durante el tiempo que se recibe un paquete. En
LPL el parámetro sleep_interval se configura como el intervalo de tiempo que la radio
duerme hasta que se enciende para detectar la portadora, y está dado en ms.
4.1.6.5 Enrutamiento
Por tratarse de una red que puede trabajar con enlaces multi-saltos se emplea para el
caso del enrutamiento el protocolo RPL (Narten et al., 2007; Winter et al., 2012) (IPv6
Routing Protocol for Low power and Lossy Networks) en cuyo prototipo de
implementación en TinyOS 2.x es denominada TinyRPL (TinyOS, 2013b), las pruebas
realizadas muestran que tiene un desempeño comparable con CTP (Collection Tree
Protocol) el protocolo de enrutamiento de facto de TinyOS (Ko et al., 2011a).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
73
TinyRPL encuentra las rutas de forma automática sin la necesidad de crearlas
manualmente lo que le da un enfoque más realista al momento de implementarlo en
cualquier plantación ya que no importa la posición de los nodos (siempre que cuenten
con visibilidad entre ellos) haciendo que el proyecto se pueda replicar en cualquier
campo agrícola sin tener en cuenta la distribución de la WSN.
4.1.6.6 La aplicación web La aplicación Web se ha dividido en siete secciones: Home, Valores, Gráfica, Gráfica
RT, Configuración, Alerta y Mapa.
En la sección "Home" se muestra una breve descripción del proyecto con algunas
imágenes y esquemas del mismo. En la sección "Valores" se muestran los datos en
tablas mientras que en la sección "Graficas" se muestran los datos gráficamente. En
ambos casos primero se indica el ID del nodo, la variable ambiental que desea analizar
(temperatura, humedad, voltaje, TSR, PAR o VWC). Para la visualización de los datos
es posible especificar un intervalo de tiempo a través de dos calendarios y horarios. En
la figura 34 por ejemplo se tienen valores registrados por el sensor de suelo EC-20 para
la cantidad volumétrica de agua. Tras acotar el tiempo de análisis en casi una hora se
aprecia un comportamiento sin variaciones (0.22 m3/m3) debido al relativamente corto
periodo de medición y porque las muestras se tomaron en invierno.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
74
Figura 34. Tabla con los valores registrados en el invernadero
De manera similar, la sección "Grafica RT" muestra valores obtenidos por un sensor
gráficamente para una determinada variable ambiental; y sin la necesidad de recargar la
página web, se va dibujando automáticamente de acuerdo al ingreso de los nuevos
valores en la base de datos. En la figura 35 se aprecia la gráfica de esta sección con una
línea del tiempo, el último valor registrado está en el extremo derecho, y al pasar el
ratón sobre cualquier punto de la gráfica se observa la fecha, hora, minuto y segundo
con que fue almacenado el valor de la muestra del sensor de temperatura.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
75
Figura 35. Curva de medición para la temperatura.
En la sección “Configuración” se configura los valores umbrales permitidos para cada
sensor así como el tiempo máximo que puede permanecer con dicho valor de umbral
con efectos de activación de una alarma. En caso se genere una alarma, se enviará un
correo electrónico al destinatario establecido en esta sección. Por otro lado, también se
puede asignar un “alias” a cada nodo para que sea reconocido con más facilidad, por
ejemplo al nodo 2 se le puede llamar nodo “tomate”, también está la posibilidad de
cargar la imagen de un mapa elegido por el usuario para que sobre ella luego se
especifique la ubicación de los nodos repartidos en el invernadero. En la figura 36 se
ilustra un ejemplo de cómo se configuran los valores umbrales y su periodo de tiempo
permitido respecto al sensor de suelo EC-20 para cada nodo. Cuando se ingresan los
datos por primera vez o se realizan modificaciones posteriores, esto se lleva a cabo
sobre la misma tabla, almacenadonse el valor inmediatamente luego de haberlo
definido.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
76
Figura 36. Configuración de los valores umbrales para el sensor de suelo EC-20,
observese que los valores pueden ser modificados sobre la misma tabla.
En la sección “Alerta” se observan las alertas pendientes de cada nodo, que también
pueden ser desactivadas en esta sección.
Finalmente en la sección “Mapa” se observan los nodos ubicados en el mapa, el
mencionado mapa es cargado desde la sección “Configuración”. Los nodos se pueden
cambiar de posición fácilmente arrastrándolos con el ratón, para que su nueva ubicación
quede almacenada, es decir que si se ingresa a la página de nuevo, se verán a los nodos
colocados de la misma manera como se los dispuso en la últma vez. En la figura 37 por
ejemplo se ven a los nodos sobre el mapa, los de color verde indican que operan con
normalidad mientras que el de color rojo hace notar que tiene una alarma activada.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
77
Figura 37. Ubicación de los nodos sobre el mapa, de color verde indica están operando con normalidad, de color rojo con alarmas activas.
4.1.6.7 El servidor El servidor trabaja con la estructura LAMP (Linux Apache MySQL y PHP), almacena
la información procedente de los sensores de la red en una base de datos y exhibe los
datos a través de páginas web dinámicas desarrolladas en PHP que muestra los valores
obtenidos de una manera fácil y cómoda a los usuarios a través de Internet.
Los datos que se envían desde la mota sumidero al servidor se reciben a través de un
socket UDP. Un script recoge los datos en bruto y los convierte a sus respectivas
unidades de medida (por ejemplo, la temperatura se guarda en grados centígrados).
Respecto a la generación de gráficos se utiliza una librería del lenguaje de programación
Java Script llamada “Flot”. Se emplea para mostrar los valores almacenados en la base
de datos en forma de gráficos estadísticos facilitando su comprensión, como por
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
78
ejemplo, permitiendo ver las fechas de las muestras a lo largo de toda la gráfica
mientras mueve el ratón sobre ella.
Por último, se ha creado un script que se ejecuta automáticamente cada vez que se
enciende o reinicia el Sheevaplug para que se comunique con el nodo sumidero y
almacene la información de la WSN en la base de datos. Así también se ha programado
un “cron” de Linux para que revise periódicamente la presencia de alertas pendientes, y
en caso las hubiese, se envía un correo electrónico con el destinatario especificado en la
sección de “Configuración”.
4.1.7 Ahorro de energía en los sensores inalámbricos
Uno de los factores más importantes a tener en cuenta en el sistema es su consumo de
energía para que este sea autónomo durante el mayor tiempo posible.
Un elevado consumo de energía provocaría un sistema ineficiente ya que o bien, sería
necesario cambiar las baterías continuamente o realizar un tendido eléctrico para
alimentar el sistema.
Para reducir el consumo de energía de las motas se activa la función LPL. Se han
realizado mediciones utilizando el osciloscopio digital Fluke 125 (Fluke, 2013) que
recolecta las muestras en un ordenador. Al ejecutar LPL con el parámetro sleep_interval
establecido en 512 ms ( ), se puede apreciar en la figura 38 la periodicidad de medio
segundo aproximadamente y de las veces que se despierta para consumir 20 mA de
corriente en promedio mientras se desarrolla el pulso. Como se observa, se prolonga la
vida útil de sus baterías pues su radio no permanece encendida todo el tiempo. La
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
79
duración de cada pulso ( ) es de 20 ms (figura 39) lo que le confiere un ciclo de
trabajo del 4.1% aproximadamente.
Figura 38. Muestras de LPL recogidas desde una mota monitora.
Figura 39. Tiempo del CCA - aproximadamente 20ms.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
80
A su vez, a través de la figura 40 comparamos gráficamente el tiempo que demanda una
transmisión que contiene los valores monitoreados con los sensores (300ms) respecto de
un pulso (20ms).
Figura 40. Tiempo de ~300 ms mientras se transmite información.
Se puede inferir que para que haya un menor consumo de energía se debe de tener en
cuenta el tiempo del intervalo del envío de los paquetes con los datos, el y el .
Dado que se ha establecido el intervalo del envío de la información cada 5 minutos, se
puede afirmar que con un de mayor valor se puede obtener un mayor ahorro de
energía, para enlaces de dos saltos a más se debe tener en cuenta además el compromiso
que existe cuando el nodo sensor está inactivo y recibe una paquete de datos para ser
reenviado, lo que provocaría en esta situación una necesidad de retransmisión por parte
del nodo emisor, ya que el nodo intermedio no lo escucharía por encontrarse dormido.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
81
4.1.8 Resultado del despliegue de la WSN en corta distancia: En un sistema de monitorización aplicado a la agricultura intensiva. Uno de los factores más importantes que hay que tener en cuenta en el sistema es su
consumo de energía. El objetivo del sistema es que sea autónomo durante el mayor
tiempo posible para ofrecer una mayor libertad en su puesta en marcha en los
invernaderos.
Un elevado consumo provoca un sistema ineficiente ya que o bien, sería necesario
cambiar las baterías continuamente o realizar un tendido eléctrico para alimentar el
sistema; esto último inviable en casi todos los invernaderos. Para reducir el consumo de
energía de las motas se activa la función LPL pero es necesario ver su impacto en las
comunicaciones y la viabilidad del sistema en grandes superficies. En la tabla 3 se
muestra el ahorro de energía variando el parámetro sleep_interval llegando a tener una
duración que oscila entre los 65 y 374 días en enlaces de un solo salto y adjuntando un
sensor de suelo EC-20.
Tabla 3. Ahorro de energía aproximado. Tiempo de trabajo de una mota con un par de baterías alcalinas marca Duracell MN1500 y un par de baterías de litio marca Energizer L91
Tipo de batería
sleep_interval Alcalina Litio
512 (ms) 65 días 93 días
1024 (ms) 130 días 187 días
2048 (ms) 260 días 374 días
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
82
Si no se usara la función de LPL, la vida útil del par de baterías que usan las motas sería
a lo sumo inferior a una semana como se indica en la tabla 4.
Tabla 4. Consumo de energía aproximado sin tener activado el LPL. Tiempo de trabajo de una mota con un par de baterías alcalinas marca Duracell MN1500 y un par de baterías de litio marca Energizer L91.
Tipo de batería
Alcalina Litio
Sin LPL activado 4.5 días 6.5 días
Para cada configuración del sistema, se han obtenido y analizado los datos obtenidos
durante una hora.
En la primera prueba del sistema se ha permitido un único salto y se han ubicado lo
sensores a una distancia de 100 y de 200 metros. En ambos casos se han obtenido un
rendimiento óptimo del sistema teniendo una latencia media de 70,51 ms y una tasa de
recepción del paquete (PRR) del 99,67% para ambas configuraciones.
Tabla 5. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL en 1 salto.
Distancia (m) 100 200
Latencia (ms) 69.34 71.68
PRR (%) 99.67 99.67
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
83
También se realizaron pruebas en enlaces multi-salto, con cada salto de 50 metros. Los
resultados obtenidos muestran un comportamiento estable del sistema (véase la tabla 6)
Tabla 6. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL en 3 saltos
N° de saltos 1 salto 2 saltos 3 saltos
Latencia (ms) 70.38 110.29 178.44
PRR (%) 99.52 99.54 98.44
A continuación se ha añadido la funcionalidad LPL en todos los nodos de la red para
analizar su impacto en la latencia del sistema y en la tasa de recepción de paquetes.
Se debe mencionar que en ensayos previos, con el valor por defecto que viene
configurado el para LPL se encontró que el PRR (%) era bajo para enlaces de 1,2
y 3 saltos en 75%, 54% y 39%, por lo que se debió aumentar el para obtener un
mejor rendimiento.
Con el nuevo valor de aumentado, en la tabla 7 se muestra el rendimiento del
sistema con una red de un salto ubicando los sensores a una distancia de 100 y 200
metros. Como se pueden apreciar en los resultados el rendimiento del sistema es peor
ofreciendo una latencia media de 312.90 ms frente a los 70.51 ms de latencia del
sistema sin LPL. Además, la tasa de recepción de paquetes baja al 91.75% frente al
99,67% anterior.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
84
Tabla 7. Mediciones con Blip 2.0/ TinyRPL + LPL para un salto con un "sleep_interval" de 512 ms.
Distancia (m) 100 200
Latencia (ms) 310.69 315.10
PRR (%) 97.1 86.4
En las pruebas con enlaces multi-salto, donde cada salto es de 50 metros (con un
"sleep_interval" de 512 ms) se obtiene una latencia similar para el enlace de un salto y
se observa que el PRR va disminuyendo a medida que se incrementan los saltos, tal
como se distingue en la tabla 8.
Tabla 8. Rendimiento de Blip 2.0/TinyRPL+ LPL en tres saltos
N° de saltos 1 2 3
Latencia (ms) 307.16 829.34 1106.33
PRR (%) 94.50 92.00 75.21
De los datos obtenidos en las tablas anteriores se aprecia que el uso de Blip2.0/TinyRPL
utilizados en nuestra aplicación para llevar la información, tanto en enlaces de un salto
como en multi-salto tiene un rendimiento de aproximadamente el 99% respecto al PRR
en todos los casos y una latencia que aumenta cuando se opera en multi-salto por el
procesamiento que le otorga cada nodo, pero aun así sigue siendo bajo.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
85
Cuando se emplea LPL en combinación de Blip 2.0/TinyRPL disminuye ligeramente su
rendimiento del PRR en un salto mientras que en el segundo y tercer salto es al 92% y
75% respectivamente los cuales son valores aceptables para el tipo de mediciones que
se realizan ya que se encuentran muy por encima del 50%.
La presente aplicación es una contribución en el área de la agricultura de intensiva con
la implementación de una plataforma completa basada en software libre para la
monitorización de zonas de cultivo como puede ser un invernadero o campo agrícola. Se
ha resaltado la forma de obtener las variables poniendo énfasis en el contenido
volumétrico de agua y del desempeño de la red de sensores inalámbricos. Respecto a la
WSN, se aprecia que con el uso de TinyRPL se puede establecer las rutas de los enlaces
automáticamente, y añadiéndole la opción de ahorro de energía (LPL) se le puede dar
un mayor tiempo de vida útil a las baterías (que puede ser superior a 1 año) además con
una tasa de recepción de paquete alta (PRR alto) muy por encima del 50%. Empleando
Blip2.0/TinyRPL y LPL se puede cubrir perfectamente áreas con radios de 200 metros
en enlaces de un salto, y de 400 ó 600 metros en enlaces de 2 y 3 saltos
respectivamente.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
86
4.2 El despliegue de la WSN en el campo de golf El campo de golf “estándar” o típico tiene 18 hoyos, con un par 72 y al menos un
recorrido de 6000 m. Este tipo de campo es el más popular y el que tiene mejor balance
de hoyos, permitiendo que se den toda clase de situaciones, y suele ocupar
aproximadamente unas 55 Has (Soria-Alfonso et al., 2005).
4.2 1 Descripción de un campo de Golf Para tener un conocimiento más específico en los términos que se emplearán en las
siguientes secciones de la presente memoria, revisamos las partes clásicas que
componen un campo de golf y se pueden dividir de acuerdo a la tabla 9 que se muestra
a continuación.
Tabla 9. Partes de las componentes deportivas en un campo de Golf (modificado de
(Salgot et al., 2012 ).
Componente Significado
1. Teeing ground o tee box El lugar de inicio para cada hoyo
2. Water hazard Es cualquier punto abierto con agua en su curso
3. Rough Áreas fuera de los fairways que usualmente su césped no recibe mucho cuidado o poda (puede ser incluso pasto natural)
4. Cart path Es la ruta pavimentada por donde se desplaza el coche del golf.
5. Bunker Son las áreas de peligro como agujeros o depresiones en el suelo y están llenos de arena (o de un material similar)
6. Fairway o calle Es el área de césped recortado entre el “tee box” y el “putting green” de cada hoyo
7. Green/Putting Green Es la zona donde se encuentra la bandera y el hoyo
8. Pin/Flag Marca la localización del hoyo
9. Hole Es el hoyo dentro del “Putting Green”
10. Antigreen Región que rodea al green entre 20 cm y 1m de ancho
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
87
La parte del campo de golf que más necesidades de riego (en proporción) necesitan son
el “Tee” y el “Green”, seguida de la calle.
Un clásico campo de golf comprende 18 hoyos (Rodríguez-Díaz et al., 2011) y es el que
más abunda en Andalucía (64% del total en el 2012) y en España (53% del total en el
2012) (RFGE, 2011). En este tipo de campo es deseable tener una extensión mínima de
40 hectáreas, sin embargo los hay también con dimensiones superiores a las 60
hectáreas. En el campo hay una serie de obstáculos entre el “tee” y el “green” para
dificultar el juego, como son las trampas de arena (bunker) y los pasos de agua o lagos
(Water hazard). La calle (fairway) está constituido por un césped regularmente
recortado y con sus laterales andenes de hierba más o menos alta o de vegetación
arbustiva (rough y semirough), y al final del recorrido una superficie de césped muy
cortada en la zona del “green” (Weatherhead et al., 2006)
Se puede apreciar las partes de un clásico campo de golf antes descritas en la tabla 9 en
la figura 41.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
88
Figura 41. Partes de un campo de golf (cuadro 3) (Wikipedia, 2013b).
En la figura 42 se ve la salida del hoyo 1 del campo Alborán Golf, con el campo todavía
en construcción, y en la figura 43, el mismo tee (desde blancas) en su estado actual. El
jugador está situado en el Tee, véase la madera amarilla indicativa, y el hito redondo
amarrillo junto a ella. El hito no se puede mover pues lo pone la Federación Española de
Golf. La calle es lo que está plantado de césped y el rough a los lados se ve con el
césped poco implantado (figura 42).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
89
Figura 42. Vista de una calle “Alboran golf”, en fase de construcción del campo, Tee 1.
En la figura 43, se observa la valla del campo (fuera de límites).
Figura 43. Vista de una calle “Alboran golf”, Tee 1 (blancas y amarillas) estado actual.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
90
En la figura 44 se ve una calle del campo de golf de Almerimar, en El Ejido (Almería),
se observa la gran cantidad de vegetación del rough, a los lados de la calle.
Figura 44. Vista de una calle del campo de golf “Almerimar” (El Ejido Almería).
Por otro lado, luego de la visita a varios campos de golf en Almería se hizo un
planeamiento a la hora de desplegar la WSN con el fin de conservar la estética en el
área de juego. Uno de los principales inconvenientes fue la ubicación de las antenas de
manera que estuviese cerca de los sensores de suelo. En un primer momento se pensó en
situar los nodos remotos debajo del suelo en un compartimiento aislado incluida la
antena, sin embargo en esta solución la señal inalámbrica sólo puede viajar a menos de
5 metros en el mejor de los casos, que es cuando se emplea frecuencias por debajo de
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
91
los 2.4 GHz, por ejemplo en 300 MHz y que por sus características son superiores al
momento de traspasar objetos, por tanto la idea de desplegar una red de sensores debajo
del suelo queda descartada debido a la cantidad elevada de nodos que tendrían que
operar para que desplegar una red multi-salto por la cercanía necesaria entre cada uno
de dichos dispositivos para abarcar todo el espacio que corresponde a un campo de golf
(Chaamwe et al., 2010; Vurana y Akyildiz, 2010; Yoon et al.,2012).
En un primer instante se pensó en emplear antenas flexibles con características similares
a la mostrada en la figura 45, antenas que por su material externo, por ejemplo
recubierto de goma pudiera flexionarse y aguantar la pisada de un jugador y que luego
volviera a erguirse. Para ello la antena debería tener la capacidad de doblarse en un
ángulo de 180 ° y tener por base un codo giratorio de 360° (ver figura 46) pero hasta
dónde sabemos no conocemos que se comercialice antenas de este tipo, y mandar a
fabricarlas tendría un costo significativo al momento del despliegue.
Figura 45. Antena flexible siendo pisada por un jugador de golf.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
92
Figura 46. Esquema de una posible antena flexible que podría usarse en un campo de golf.
Hay trabajos que hablan sobre antenas flexibles de material delgado basados en metal
líquido (Cheng et al., 2010) pero de igual manera no tenemos conocimiento que se
comercialicen; también están las antenas planares que se podrían colocar al ras del
suelo, sin embargo su máxima ganancia es perpendicular al plano de la tierra (Ammann
et al., 2003; Abbosh y Bialkowski, 2008; Salonen y Keskilammi, 2008), y por otro lado
si se colocase sobre el campo de juego podría tener cortes de conectividad en su
comunicación inalámbrica en períodos de lluvia o durante el riego dejando de lado su
utilidad ya que no se sabría cuando parar de humedecer el suelo cuando están activos
los aspersores. Además el principal inconveniente radica en que si están dentro de la
zona de césped, las segadoras podrían cortarlas.
Ante todo esto se opta por aprovechar las filas de árboles ubicados sobre el rough los
cuales aparte de cumplir su función ornamental también sirven para separar los fairways
en el campo de juego. Por tanto, la solución hallada hasta ahora, consiste en instalar los
nodos remotos en la cima de mástiles que se mimetizan con la fila de árboles. Los
mencionados mástiles se pueden ubicar cogidos de una abrazadera fijadas al tronco del
árbol. A continuación en la figura 47 vemos un esquema con la solución propuesta de la
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
93
localización de los nodos remotos. Se puede apreciar que la altura del chorro de agua
que lanza el aspersor no afecta la comunicación inalámbrica pues la señal no la
atraviesa. Por su parte el cable que comunica al sensor de suelo con la mota, de acuerdo
a recomendaciones del fabricante no debe tener una longitud mayor a los 75 metros si se
quiere conservar la exactitud al momento de recibir la información del VWC. Ello
ofrece la libertad necesaria para ubicar el EC-20 si fuera necesario en el otro extremo
del fairway que tiene como máximo un ancho de 50 metros.
Figura 47. Vista del nodo remoto sobre el mástil que se ubica al lado de la fila de árboles que conforman el campo de golf.
4.2 2 Descripción del sistema de riego en un campo de golf
Como se reconoce de la imagen 45 que el riego en un campo de golf se realiza por
aspersión. El objetivo del riego por aspersión es proporcionar el agua que requieren los
cultivos mediante una precipitación artificial de intensidad controlada que permita, en
general, un proceso de infiltración en condiciones de sub-saturación. Estas
características facilitan el proceso de distribución de agua y evitan la escorrentía y por
lo tanto la alteración superficial del suelo.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
94
Durante el riego el aspersor “emerge” del suelo (figura 48) por la presión del caudal de
agua y rocía el agua en un radio de 23 metros; en sectores como el tee, en el green por
ser un área más reducida la distancia es menor y se puede llegar a los 18 metros. La
elevación del chorro de agua es en promedio a lo sumo de 5.5 metros (figura 49) y está
diseñado para funcionar en una cobertura máxima de 360°, para los aspersores que están
en el centro y de 180° para los que están en los bordes.
Figura 48. Aspersor regando, medición del alcance del riego de un aspersor en el Campo de Golf “Almerimar”.
Figura 49. Alcance del aspersor: a) radio de riego (23 m), b) elevación ( 5.5 m).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
95
Dentro del campo de golf, el sector que cuenta con la mayor cantidad de aspersores es la
zona del fairway, llamado también calle, aquí los aspersores son colocados de forma
diagonal en todo su recorrido (ver figura 50).
Figura 50. Despliegue en diagonal de los aspersores dentro del fairway.
El área de la cobertura de riego de un aspersor termina donde se ubica físicamente el
siguiente aspersor (ver figura 51) existiendo por tanto un solapamiento. Por otro lado el
tee, que es el sector donde se inicia el juego de cada hoyo posee el área más reducida
del campo, su superficie es de alrededor de los 100 m2, inferior a la del green que tiene
una extensión que varía entre 300 y 500 m2 (Monje-Jiménez y García-Verdugo, 1997).
Figura 51. Ejemplo de solape entre los aspersores de riego.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
96
4.2.3 Posicionamiento de los nodos sensores sobre el campo de golf.
Los nodos sensores estarán repartidos por todo el campo de golf, en especial en nuestra
arquitectura se pondrá mayor atención al sector del “Tee”, “Green” y “Fairway”, siendo
este último es el que ocupa mayor área.
En la figura 52 se muestra al “Gateway” conformado por una PC embebida, llamado
también en el esquema de la red “router de borde” y a ella se conecta el nodo sumidero
y dispone de un enlace con el servidor final que puede ser inalámbrico o cableado
dependiendo de su distancia y de los medios físicos necesarios para llegar a ella. Para el
caso de la PC embebida se dispondrá de la placa computadora Alix (PC, 2013a) si se
necesitara realizar un enlace inalámbrico con el servidor final, o del Sheevaplug
(Tangadpalliwar et al., 2011) si fuese un enlace cableado.
El diseño de la red está basado en un conjunto de nodos remotos que están compuestas
por las motas y los sensores de suelo conectado a ellas. Los nodos remotos cada cierto
tiempo obtienen una muestra de la cantidad volumétrica de agua (VWC) que hay en el
campo (a través de los sensores de suelo) y envían este dato hacia su nodo sumidero
inalámbricamente.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
97
Figura 52. Arquitectura de la red.
En la figura 52 aparece el “Gateway” recibiendo los datos de todo un arreglo o conjunto
de nodos remotos. El “Gateway” es la suma de un nodo sumidero conectado a un
dispositivo que funciona de pasarela entre la WSN y la red de área local (LAN). El
Gateway entonces por un lado recibe la información del nodo sumidero y por otro envía
toda esta información a un servidor final, de forma cableada o inalámbrica. El servidor
final almacena la información de la WSN en una base de datos y muestra los valores de
forma entendible a través de gráficas y tablas a los usuarios finales que tienen la
oportunidad de acceder a los datos recolectados a través de Internet.
Por otra parte, en el “fairway” que es el sector que cuenta con la mayor cantidad de
aspersores en el campo de juego hay un solapamiento en la cobertura de riego de los
aspersores, por este motivo se usarán 5 sensores de suelo por cada mota que se utilice en
una distribución similar a la representada en la figura 53 para medir en especial los
sectores de suelo que recibe menor volumen de agua. Dado que por cada 5 aspersores se
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
98
usa una mota TelosB, finalmente será necesario contar con aproximadamente 320 motas
repartidas en todo el campo de golf (recordar que en promedio en un campo de golf de
18 hoyos hay 1600 aspersores). En el caso del green y tee que son áreas muy reducidas
bastará con una mota y hasta seis sensores de suelo por cada uno de estos sectores ya
que son las áreas que se debe preservar su estética con mayor interés.
Figura 53. Ubicación de los sensores de suelo en el fairway por mota.
Se representa en la figura 54 un esquema sobre la posible distribución de los nodos
sensores, a lo largo, y a un lado del “fairway”, evitando así la antiestética y el normal
desenvolvimiento del juego. En dicho esquema los nodos sensores se ubican lo más
cerca posible del gateway para que se pueda concretar la mayor cantidad de enlaces de
un solo salto, pues estos provocan un menor consumo de energía en los nodos
intermedios al no tener que reenviar los paquetes de información que provienen de los
nodo sensores con dirección al sumidero.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
99
Figura 54. Esquema de la WSN sobre el campo de golf.
Para conocer la viabilidad de la comunicación entre dos motas contiguas se realiza un
presupuesto del enlace con el software libre llamado Radio Mobile (Coudé, 2013) entre
dos motas TelosB operando con su máxima potencia de transmisión, a 0 dBm, recordar
que trabajan en la banda de 2.4GHz y la sensibilidad de su receptor es de -95 dBm (ver
tabla 2).
En un primer caso (figura 55) modelamos el presupuesto del enlace usando antenas de 5
dBi de ganancia. Se aprecia que en un enlace de 200 metros de distancia hay una
recepción relativa de 17.5 dB.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
100
Figura 55. Cálculo del enlace entre dos nodos de la WSN.
Luego en la figura 56 se modela el enlace usando antenas de 10 dBi de ganancia. Se
puede observar que en un enlace de 300 metros de distancia se tiene una recepción
relativa de 25.6 dB. Finalmente como en ambos enlaces se supera el margen de los 10
dB se deduce que se pueden asegurar los mismos con un rendimiento superior al 70%
(Zennaro et al., 2010a; Zennaro et al., 2010b).
De acuerdo a este análisis, existe la posibilidad que a lo largo de toda una calle
(fairway), incluyendo en sus extremos al green y al tee, se pueda completar enlaces de
un salto entre los nodos sensores y el gateway como se muestra en la figura 54 si se
usan antenas de 10 dBi de ganacia, o enlaces de hasta dos saltos si se emplea antenas de
5 dBi , ya que el fairway tiene una longitud y ancho en promedio no mayor a los 450 y
50 metros respectivamente.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
101
Figura 56. Cálculo del enlace entre dos nodos de la WSN.
En este sentido se puede aprovechar que el “gateway” en un sector (tee, fairway, y
green) pueda recibir las comunicaciones de sectores contiguos también, por tanto en
este tipo de escenarios bastaría de 6 a 8 “gateway” para cubrir todo un campo de golf
clásico (18 hoyos).
4.2 4 Descripción del hardware
A continuación se describe el hardware utilizado en el sistema.
4.2.4.1 Motas TelosB
Para el despliegue de la WSN se ha empleado motas de diseño de código abierto
basadas en la plataforma “Telosb”.
Estas se encargan de la recolección y transporte de los datos del suelo, así mismo tienen
integrados sensores de humedad, temperatura y dos de luz para medir la radiación
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
102
fotosintéticamente activa y la radiación solar total. El tiempo de muestreo que se utiliza
es de 5 minutos.
4.2.4.2 Sensor de suelo
Entre los sensores de humedad de suelo más utilizados y estudiados actualmente se
encuentran los fabricados por la empresa Decagon. Cuenta con varios modelos (EC-5,
EC-10 y EC-20) cuya principal diferencia es el tamaño del sensor del suelo. Se utiliza el
modelo EC-20 principalmente por su bajo consumo de energía que es alrededor de
2mA a 2.5V, aspecto relevante cuando trabaje en conjunto con la WSN pues se
comunica y alimenta directamente de la mota TelosB, de ese modo al tener un menor
consumo de energía permite un mayor tiempo de vida de la batería de la mota.
El sensor de suelo Decagon EC-20 mide el contenido volumétrico de agua y se conecta
con los conectores de expansión de 6 y 10 pines de la mota Telosb. El hilo de tierra del
sensor de suelo se conecta con el pin de tierra de la mota, el de excitación con el pin
GIO y su salida analógica con el pin ADC. Dado que el sensor de suelo tiene un
conector de audio, se utiliza un jack de audio como interfaz para la interconexión entre
el sensor de suelo y la mota TelosB.
4.2.4.3 Servidor
En caso exista la posibilidad de contar con una red cableada hasta el gateway que le
permita tener acceso a Internet se podría emplear la "computadora de enchufe"
Sheevaplug, si esto no fuera posible por tratarse de grandes dimensiones del terreno de
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
103
juego, sería necesario una comunicación inalámbrica, en ese caso se puede utilizar la
placa Alix que funcionaría también como servidor web y de base de datos.
4.2 5 Descripción del software
4.2.5.1 Implementación en TinyOS
Las motas TelosB utilizan el sistema operativo de código abierto TinyOS que cuenta
con una arquitectura basada en componentes y tiene un modelo de ejecución dirigida
por eventos (Levis et al., 2005). Utiliza la pila de protocolos 6LoWPAN implementada
por TinyOS denominada Blip en su segunda versión BLIP 2.0 en todos los nodos de la
red (Ko et al., 2011b). A cada uno de ellos se le asigna una dirección IPv6, y la
comunicación se realiza por enlaces de un sólo salto o multi-saltos dependiendo si la
cobertura inalámbrica entre el nodo en cuestión y el nodo sumidero se encuentra fuera
de su alcance.
4.2 5.2 El nodo Sumidero El nodo sumidero tiene instalado la aplicación PppRouter que le permite actuar como un
router de borde para BLIP 2.0 pues hace que una de sus interfaces se comunique por el
enlace serie con el servidor y la otra con 6LoWPAN sobre 802.15.4.
4.2 5.3 Los Nodos Sensores La aplicación desarrollada (6LoWSoft_20) se instala en los nodos sensores. Se basa en
las aplicaciones expuestas en (Becker, 2012; Panchard et al., 2006) y está programada
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
104
para obtener los valores del sensor de suelo externo Decagon EC-20 y de los sensores
integrados en los nodos.
La comunicación entre los datos de humedad recogidos por el sensor de suelo y la mota
TelosB se lleva a cabo a través del componente Msp430Adc12ClientC y su
correspondiente interfaz. Así, por ejemplo, se establece en el código fuente al pin
ADC0, para que reciba los datos de la salida analógica del sensor de suelo.
Para leer la salida analógica del sensor de suelo se necesita una resolución mínima de 12
bits, siendo éste uno de los motivos por el cual se emplea la mota TelosB.
De acuerdo con la hoja de datos del sensor de suelo, este trabaja correctamente mientras
el voltaje de la batería supere los 2.0 V. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el
voltaje mínimo necesario de la mota para que opere correctamente su radio es de 2.1 V.
a) Ahorro de energía. Para controlar el ciclo de trabajo en las radios de las motas se añade la función
LPL (Low Power listening) (TinyOS,2013d) en todos los nodos. De esta manera
se consigue mayor tiempo en la autonomía de las baterías principalmente porque
el mayor consumo de energía de los nodos se produce cuando la radio está
operando, y es de 17.4 mA ó 19.7 mA en la transmisión y recepción
respectivamente. Con LPL, un nodo enciende su radio el tiempo suficiente para
detectar una portadora en el canal. Si detecta la señal portadora mantiene la radio
encendida durante el tiempo que se recibe un paquete. En LPL el parámetro
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
105
sleep_interval se configura como el intervalo de tiempo que la radio duerme
hasta que se enciende para detectar la portadora, y está dado en ms.
b) Enrutamiento
Por tratarse de una red que puede trabajar con enlaces multi-saltos se emplea
para el caso del enrutamiento el protocolo RPL (Narten et al., 2007; Winter et
al., 2012) (IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks) en cuyo
prototipo de implementación en TinyOS 2.x es denominada TinyRPL (TinyOS,
2013b), las pruebas realizadas muestran que tiene un desempeño comparable
con CTP (Collection Tree Protocol) el protocolo de enrutamiento de facto de
TinyOS (Ko et al., 2011a).
TinyRPL encuentra las rutas de forma automática sin la necesidad de crearlas
manualmente lo que le da un enfoque más realista al momento de implementarlo
en cualquier plantación ya que no importa la posición de los nodos (siempre que
cuenten con visibilidad entre ellos) haciendo que el proyecto se pueda replicar
en cualquier campo agrícola sin tener en cuenta la distribución de la WSN.
4.2.5.4 La plataforma web
La aplicación Web se ha dividido en siete secciones: Home, Valores, Gráfica, Gráfica
RT,Configuración, Alerta y Mapa.
En la sección "Home" se muestra una breve descripción del proyecto con algunas
imágenes y esquemas del mismo. En la sección "Valores" se muestran los datos en
tablas mientras que en la sección "Grafica" se muestran los datos gráficamente. En
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
106
ambos casos primero se indica el ID del nodo, la variable ambiental que desea analizar
(temperatura, humedad, voltaje, TSR, PAR o VWC). Para la visualización de los datos
es posible especificar un intervalo de tiempo a través de dos calendarios y horarios. Por
ejemplo en la figura 57 se muestra la medición del contenido volumétrico de agua en
aproximadamente 6 días. Se aprecia de forma constante el valor de 0.29 en este
periodo.
Figura 57. Medición de la cantidad volumétrica de agua en un periodo de seis días.
En el mismo ambiente y periodo de medición anterior se registra el comportamiento
periódico de la radiación solar total como se observa el la figura 58.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
107
Figura 58. Medición de la radiación solar total en un periodo de seis días.
Como es de esperar los picos altos representan al momento del día que más radiación
solar recibió. La línea celeste que recorre la figura 58 es el valor promedio en dicho
intervalo.
Cada vez que se carga la figura, está la posibilidad de ampliarla eligiendo la zona
arrastrando el ratón. Por ello en la figura 59 se muestra menos conglomeración de los
puntos sobre la línea de medición a comparación de las otras imágenes.
Figura 59. Vista ampliada en la medición del sensor de suelo EC-20.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
108
De manera similar, la sección "Grafica RT" muestra valores obtenidos por un sensor
gráficamente para una determinada variable ambiental, dicha gráfica, sin la necesidad
de recargar la página web, se va dibujando automáticamente de acuerdo al ingreso de
los nuevos valores en la base de datos. En la figura 60 se aprecia la gráfica de esta
sección con una línea del tiempo, el último valor registrado está en el extremo derecho,
y al pasar el ratón sobre cualquier punto de la gráfica se presenta la fecha, hora, minuto
y segundo con que fue almacenado el valor de la muestra del sensor de humedad
relativa.
Figura 60. Gráfica dinámica que muestra los valores la humedad relativa que se van registrando en los sensores.
En la sección “Configuración” se configura los valores umbrales permitidos para cada
sensor así como el tiempo máximo que puede permanecer con dicho valor de umbral
con efectos de activación de una alarma. En caso se genere una alarma, se enviará un
correo electrónico al destinatario también establecido en esta sección. Por otro lado
también se puede asignar un alias o sobrenombre a cada nodo para que sea reconocido
con más facilidad, por ejemplo al nodo 2 se le puede llamar nodo “fairway”.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
109
En la sección “Alerta” se observan las alertas pendientes de cada nodo, que también
pueden ser desactivadas en esta sección.
Visualización de los sensores y sus valores registrados sobre el mapa de
despliegue
Finalmente en la sección “Mapa”, después de subir nuestro mapa se tiene la imagen de
la figura 61. El color del nodo indica que está operando normalmente, al hacerle un clic
muestra el último valor registrado de sus sensores, del voltaje de su fuente y del
momento que fue tomado. Por su lado el nodo de color rojo advierte que registra una
anomalía, es decir que presenta una alarma pendiente o que simplemente se ha perdido
comunicación. Al darle un clic se aprecia el último momento que estuvo operativo. Los
nodos se pueden cambiar de posición fácilmente arrastrándolos con el ratón, para que su
nueva ubicación quede almacenada, es decir que si se ingresa a la página de nuevo, se
verán a los nodos colocados de la misma manera como se los dispuso en la últma vez.
Por otro lado la ubicación de los nodos sobre el mapa es absoluta, es decir que si se
maximiza o se minimiza la imagen su posicionamiento se mantendrá inalterable incluso
viéndola en distinto tamaños de monitores.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
110
Figura 61. Vista general de los nodos sobre un mapa. El nodo en color verde indica que está operativo, y otro de color rojo señala que tiene una alerta activada.
4.2 5.5 El servidor El servidor trabaja con la estructura LAMP (Linux Apache MySQL y PHP), almacena
la información procedente de los sensores de la red en una base de datos y exhibe los
datos a través de páginas web dinámicas desarrolladas en PHP que muestra los valores
obtenidos de una manera fácil y cómoda a los usuarios a través de Internet.
Los datos que se envían desde la mota sumidero al servidor se reciben a través de un
socket UDP. Un script recoge los datos en bruto y los convierte a sus respectivas
unidades de medida (por ejemplo, la temperatura se guarda en grados centígrados).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
111
Respecto a la generación de gráficos se utiliza una librería del lenguaje de programación
Java Script llamada “Flot”. Se emplea para mostrar los valores almacenados en la base
de datos en forma de gráficos estadísticos facilitando su comprensión, como por
ejemplo, permitiendo ver las fechas de las muestras a lo largo de toda la gráfica
mientras mueve el ratón sobre ellos.
Por último, se ha creado un script que se ejecuta automáticamente cada vez que se
enciende o reinicia el servidor para que se comunique con el nodo sumidero y almacene
la información de la WSN en la base de datos. Así también se ha programado un “cron”
de Linux para que revise periódicamente la presencia de alertas pendientes, y en caso
las hubiese, se envía un correo electrónico con el destinatario especificado en la sección
de “Configuración”.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
112
4.3 El despliegue de la WSN en la Amazonía peruana. La importancia en el cuidado y preservación de la Amazonía radica en su impacto en la
hidrología regional y en el ciclo global del carbono (Nepstad et al. 1994). Reduce las
concentraciones atmosféricas del dióxido de carbono (CO2) al actuar su biosfera en la
absorción del carbono (Cox et al. 2000) y contribuyendo con la producción de oxigeno
del planeta a través del proceso de la fotosíntesis (Peterson et al., 1998). Es decir,
almacena el carbono en la vegetación y transforma las concentraciones atmosféricas de
CO2 en carbono orgánico por medio de la fotosíntesis (Mercado et al., 2011). Por otro
lado hay un efecto directo e instantáneo del CO2 en la temperatura del medioambiente
(Kirschbaum, 2003) que se ve reflejado en la variación de la composición de las
especies y diversidad en la flora de la región (Wittmann et al., 2006) dato a tener en
cuenta puesto que es el lugar con mayor biodiversidad en el planeta a pesar de la
deforestación que hay hoy en día (Celentano et al., 2012; Boekhout, 2010).
4.3.1 Antecedentes
Actualmente a lo largo de la ribera del rio Napo se encuentra desplegada una red WiFi
de largo alcance que está trabajando para facilitar la comunicación entre los puestos de
salud ubicados en medio de la selva amazónica peruana, proporciona acceso a la
Internet y a la red de telefonía conmutada (RTC) (Bebea-González et al., 2010).
Se puede aprovechar toda la infraestructura desplegada para instalar una red de sensores
inalámbricos que monitoree algunos parámetros medioambientales de la selva
amazónica tales como la humedad, temperatura que están relacionados en con el ciclo
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
113
del carbono (Angelini et al., 2011), así como también con la radiación solar total (TSR)
y la radiación fotosintéticamente activa (PAR), esos últimos dos directamente
relacionados con el incremento y decremento de las nubes y aerosoles en la atmósfera
(Caldararu et al., 2011; Mercado et al., 2011).
La red de sensores inalámbricos trabaja en combinación con la red WiFi de largo
alcance que cumple la función de ser una red de transporte, llevando los valores de los
datos medidos de la WSN a través de decenas de kilómetros hasta un punto con una
base de datos, servidor web y una conexión a Internet para administrar y mostrar
gráficamente los valores al mundo. Dicha red WiFi, antes mencionada, actualmente está
trabajando para facilitar la comunicación entre los puestos de salud ubicados en medio
de la selva amazónica, además de proveer el acceso a la Internet y a la red de telefonía
conmutada (RTC)(Bebea-González et al., 2010).
En dicha red muchos de los enrutadores inalámbricos usados son de la marca “Alix” y
pueden ser aprovechados para interactuar con la red de sensores inalámbricos.
4.3.2 Escenario
Los enrutadores Alix son usados actualmente en la red del Napo y cumple la función de
de router inalámbrico WiFi, también es usado como PBX IP dado que tiene instalado el
software Asterisk para el manejo de las llamadas
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
114
En la figura 62 se muestra a la mota sumidero conectada a un enrutador Alix. Dicha
mota cumple la función de comunicarse con las otras dos motas de la WSN que se
encuentran registrando los valores medioambientales tales como humedad, temperatura,
luz y sus voltajes respectivos. La mota sumidero no sufre descargas es sus baterías
porque es alimentada permanentemente a través del enrutador Alix.
Figura 62. Gráfica de una red de sensores inalámbrica en un área específica.
La topología que se visualiza en la figura 63, representa a las motas que son conectadas
con su respectivos enrutadores Alix, conformando la WSN 1,2,3,4.. etc. Los enrutadores
Alix a su vez se comunican con sus pares a través de enlaces WiFi de largo alcance
(decenas de kilómetros) y nos proporciona las medida del monitoreo medioambiental en
varias partes de la Amazonía a lo largo de la ribera del río Napo.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
115
Figura 63. WSN's unidas a la red WiFi.
Finalmente todos los valores registrados de cada WSN son enviados hasta un punto que
tiene instalado el servidor web y la Base de Datos (figura 64) y tiene una conexión con
internet con en el fin de mostrar los datos almacenados por medio de tablas y gráficas
(estáticas y en tiempo real).
Figura 64. Extremo de la red conteniendo el acceso a Internet y a los servidores.
En la figura 65 se representa un esquema de la torre de comunicaciones. En promedio la
altura de cada torre está en el rango de los 52 a 90 metros (Mickelson, 2009) y los
dispositivos de comunicación WiFi son alimentados por baterías que se recargan a
través de paneles solares, así ellos gozan de autonomía permanente. Aparte de los
enlaces WiFi troncales (entre cada torre de comunicación) están los enlaces locales que
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
116
sirve para comunicar los establecimiento de salud con la red. En este tramo de la red
cada puesto de salud se comunica con la torre de comunicaciones también a través de un
enlace WiFi, en la figura 65 aparece el enlace realizado por la antena yagui.
Para la colocación de la red de sensores en cada comunidad de la selva se puede usar un
esquema como el mostrado en la figura 66 donde la mota sumidero y los nodos sensores
que forman parte de la WSN se colocan en la misma torre de comunicación. Para ello
se puede montar en la torre brazos laterales que disten los suficiente de la torre y que
puedan albergar a las motas para que sus valores registrados no se vean afectados por la
estructura de la torre. Este diseño tiene su lado positivo porque al encontrarse ubicado
dentro del mismo conjunto de equipos de comunicación, su protección, implementación,
pruebas y futuros mantenimientos serían más sencillos. Se pueden colocar los nodos
sensores a distintas alturas de la torre, por ejemplo alguna que esté sobre el mismo nivel
que las copas de los árboles y otra debajo de ella para diversificar las medidas.
También puede haber un diseño similar al de la figura 67 donde los nodos sensores se
ubican junto a los establecimientos de salud que está localizado alrededor de dicha torre
formando enlaces de un solo salto hasta el nodo sumidero o multi-salto dependiendo de
las distancias y de la ganancia de la antena que se utilice de acuerdo a los cálculos
realizados con el programa Radio Mobile (figuras 55 y 56).
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
117
Figura 65. Esquema un enlace WiFi local, desde una torre de comunicación a un puesto de salud (Rey-Moreno et al.,2011).
Figura 66. Esquema del despliegue de una WSN en una torre de comunicaciones.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
118
Figura 67. Esquema de comunicación de los enlaces 802.15.4 alrededor de la torre
en un poblado de la selva amazónica.
4.3.3 Diagrama de escenario para las comunicaciones
Esbozando las etapas en el proyecto nosotros tenemos en un extremo las motas sensoras
que recolectan los valores medioambientales (TSR, PAR, humedad, temperatura)
además del voltaje estimado de sus par de baterías AA, esta información viaja a través
de los enlaces 802.15.4 hasta la mota sumidero y esta a su vez reenvía la información
recibida a los enrutadores Alix, los cuales contienen un script que se está ejecutando, y
este por su parte reenvía los datos a la base de datos a través de los enlaces WiFi
(802.11) a través de decenas de kilómetros por medio de la infraestructura desplegada.
Finalmente, el servidor web conectado con Internet es responsable de interactuar con la
base de datos para mostrar los valores recolectados gráficamente para su análisis e
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
119
interpretación. Para simplificar lo mencionado se muestra en la figura 68 un diagrama
del escenario.
Figura 68. Diagrama del escenario
4.3.4 Arquitectura
El diseño cuenta con componentes que pueden ser divididos en cinco etapas (figura 69),
donde en tres de ellas se ha desarrollado el software adecuado para su funcionamiento
en conjunto.
Figura 69. Etapas de la implementación.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
120
4.3.5 La capa “WSN”
La WSN usa TinyOS como sistema operativo, un sistema operativo de código abierto,
creada por la universidad de Berkley (en California). Es programada a través de
aplicaciones y librerías escritas en el lenguaje de programación nesC (Network
Embedded System C) y consiste de:
a) Motas sensoras: La aplicación, que nosotros llamamos (6LoWSoft_20), es
instalada en la mota monitora para capturar los valores medioambientales, luego
este envía los datos al nodo sumidero o a estación base. Se basa en las
aplicaciones expuestas en (Becker, 2012; Panchard et al., 2006). Los datos que
se envían desde la mota sumidero al servidor se reciben a través de un
socket UDP. Un script recoge los datos en bruto y los convierte a sus
respectivas unidades de medida (por ejemplo, la temperatura se guarda
en grados centígrados)
b) La estación base: O nodo sumidero, es el responsable de recolectar los datos
enviados por las motas monitoras. Tiene instalado una aplicación Por su parte al
nodo sumidero se le instala la aplicación Ppprouter que viene por defecto con los
paquetes de instalación de TinyOS 2.X. Este opera como un puente entre el
puerto USB y los enlaces de radio.
c) El enrutador Alix conectado al mota sumidero. El enrutador Alix está
directamente conectado con la estación base de la WSN y tiene instalada el
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
121
sistema operativo Voyage, una distribución de Linux (basado en Debian) para
computadoras con recursos limitados que por su parte contiene los paquetes de
la aplicación Blip (Berkeley Low-power IP stack), para comunicarse con las
pilas que trabajan con 6LowPAN a través del nodo sumidero. Más aún, cuando
los datos en bruto son enviados desde la mota sumidero al enrutador Alix,
conectados ellos por un cable USB, el script que se ejecuta encima del sistema
operativo Voyage debe traducir estos valores a unidades reconocibles (por
ejemplo a %RH), por consiguiente es utilizado sockets UDP para manejar los
datos que entran por el puerto USB empleando un script escrito en lenguaje
Python. Como el recurso en los enrutadores Alix es limitado para el
procesamiento y almacenado de la información es mejor externalizar esta tarea a
un servidor, así los nuevos datos ya traducidos (por ejemplo a grados
centígrados) son almacenados en una base de datos localizados en otra máquina.
4.3.6 Capa de transporte
Es básicamente la actual infraestructura desplegada en la selva amazónica y consiste de
los enlaces WiFi de larga distancia entre los enrutadores Alix a lo largo de 450 km en la
ribera del río Napo.
4.3.7 Capa de Servidores
Los servidores tienen la estructura LAMP, el sistema operativo Linux donde se
instalará el servidor Web Apache. Por otro lado, la base de datos MySQL será la que
acumulará periódicamente la información que llega procedente de todos los sensores en
la red y las páginas web dinámicas se desarrollan en PHP mostrando los valores de la
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
122
base de datos de una manera entendible en la Internet. Adicionalmente para el manejo
de las gráficas se emplea AJAX también.
Para generar los gráficos se utiliza una librería del lenguaje de programación Java Script
llamada “Flot”. Se emplea para mostrar los valores almacenados en la base de datos en
forma de gráficos estadísticos facilitando su comprensión, como por ejemplo,
permitiendo ver las fechas de las muestras a lo largo de toda la gráfica mientras mueve
el ratón sobre ellos.
4.3.7.1 La aplicación web. La aplicación web se ha dividido en 7 secciones: Home, Valores, Graph, Graph RT,
Configuración, Alerta y Mapa. En la sección “Home” se da una breve explicación de lo
que consiste el proyecto, en la sección “Values” se muestra los datos en forma de tablas
mientras que en la sección “Graph” se muestran los datos gráficamente. En ambos casos
primero se indicará el número identificativo del nodo, la variable ambiental que desea
analizar (temperatura, humedad, voltaje, TSR, PAR o VWC). Para comodidad y
precisión en la visualización de los datos se acota los tiempos a través de calendarios y
horarios. De manera similar en la sección “Graph RT” se grafica automáticamente los
datos en la pantalla cada vez que van llegando los valores. Para la realización de los
gráficos se emplea la libreria jQuery de Javascript llamada “Flot”, el mismo que es
empleado también por el servicio meteorológico europeo “MyOcean” (MyOcean,
2013).
En la sección “Configuración” se realiza la configuración de todo el sistema, como
cambiar el nombre de los nodos (colocarles un alias), habilitar o deshabilitar ciertos
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
123
sensores, subir una imagen con un mapa en particular, establecer valores umbrales
máximos, mínimos y cuánto tiempo tiene que pasar cada uno de ellos para que se active
una alarma, también se establece el correo electrónico de la persona a quien se le va a
enviar el mensaje con la alarma automáticamente, etc.
En la sección “Alerta” se muestran las alertas activadas de acuerdo a lo que se
estableció en la sección “Configuración”. Mientras están activas las alarmas se envía
periódicamente un correo electrónico informando del problema. En “Alerta” también se
desactivan las alarmas si el problema ha sido solucionado por el usuario.
En “Mapa” se aprecia el mapa del campo de golf que es una imagen que el usuario sube
al servidor en “Configuración”. Aquí se percibe de manera rápida el comportamiento de
la red, es decir se aprecian los nodos activos de color verde y de color rojo los que
presentan algún tipo de problema como una comunicación “caída” o una alerta activada.
Aparte de ello, los nodos al darles un clic, muestran los valores de los sensores en ese
instante. El usuario los ubica en el mapa, arrastrándolo simplemente con el cursor, su
posición final ya queda almacenada cada vez que se vuelve a cargar la página.
4.3.8 Ahorro de energía
La aplicación ha sido configurada para ahorrar energía. Se debe habilitar el modo de
trabajo llamado LPL (Low Power Listening) en TinyOS para que la mayor parte del
tiempo se mantenga en estado apagado. Se utiliza su mecanismo de LPL como
protocolo MAC para la eficiencia del manejo de la energía; de este modo se controla el
ciclo de trabajo en las radios en todos los nodos (TinyOS, 2013d). Así se consigue
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
124
mayor tiempo en la autonomía de las baterías principalmente porque el mayor consumo
de energía de los nodos se produce cuando la radio está operando. Siendo esta de 17.4
mA y 19.7 mA en la transmisión y recepción respectivamente.
En LPL el parámetro sleep_interval ( ) se configura como el periodo de tiempo que
la radio inicia su proceso de inactividad y está dado en ms. Sin embargo, si bien se
configura en todos los nodos, en el caso del nodo sumidero, no es importante tener en
cuenta el tiempo de vida de las baterías debido a que se alimenta de la energía que le
brinda la conexión USB por parte la placa Alix.
4.3.9 Coexistencia entre 802.15.4 y 802.11
Por cuanto este proyecto está basado en el trabajo combinado de las tecnologías 802.11
y 802.15.4 es significativo entender la implicación de cuando ambos operan en la banda
de 2.4 GHz, porque el transceptor de la mota solamente trabaja en este rango de
frecuencia y la red WiFi también. En el caso de la selva amazónica peruana está
configurada en la banda de 2450 MHz para superar los problemas de la señal cuando
está lloviendo, ya que en otro caso se podría haber trabajado con la banda de 5.8 GHz.
Para una aceptable coexistencia se analizan tres de las principales problemáticas:
a) Bajo ciclo de trabajo: Con bajos ciclos de trabajo (menores al 1%) los
dispositivos de la WSN tienen menos probabilidad de causar interferencia a
otros estándares (IEEE, 2006).
b) Baja potencia de transmisión: Asumiendo unas antenas de ganancia moderada
para las implementaciones en IEEE 802.15.4, habría cerca de 12 a 18 dB menos
que una implementación en IEEE 802.11 (IEEE, 2006) por lo que hay una
mínima interferencia entre las motas y los dispositivos WiFi.
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
125
c) Alineación del canal: Buscar frecuencias IEEE802.15.4 que coincidan con los
canales de guardas IEEE 802.11b (Zacharias et al., 2012) en la banda de 2400
MHz. La energía en los espacios de guarda en IEEE 802.11b es mucho menor a
la energía que hay dentro de los canales, y reduce al mínimo la interferencia
entre los sistemas. Finalmente se puede concluir que las operaciones en IEEE
802.15.4 no tienen prácticamente influencia negativa en las comunicaciones
IEEE 802.11. Sin embargo si no se tienen cuidado en las operaciones de los
canales de las dos tecnologías, el IEEE 802.11 sí podría tener un efecto negativo
sobre el desempeño de las transmisiones IEEE 802.15.4 (IEEE, 2006).
d) Rango de potencia: Si operan con su máximo de potencia de transmisión
(0dBm), se podrán comunicar directamente con el nodo sumidero en enlaces de
un solo salto, si la distancia entre la mota sensor y la sumidero es menor a los
320 metros (Afanasyev et al., 2010). En caso de que la distancia sea mayor, se
establecerán enlaces multi-saltos para comunicarse con el nodo sumidero, para
este fin se utiliza el protocolo de enrutamiento RPL (Winter et al., 2012). Vale
decir que por pruebas realizadas, es mejor que no sea mayor a los 200 metros en
enlaces de un solo salto cuando se emplean antenas de 5 dBi de ganacia.
4.3.10 Enrutamiento de los nodos sensores
El Enrutamiento de los nodos sensores trabaja con TinyRPL, que encuentra las rutas de
forma autónoma sin la necesidad de configurarlas manualmente. Esto le confiere un
enfoque realista al momento del despliegue de los sensores porque no importa la
posición de los nodos, siempre que haya línea de vista entre ellos, haciendo que el
RESULTADOS Y APLICACIONES PRÁCTICAS
126
proyecto se pueda replicar en cualquier área geográfica sin tener en cuenta la
distribución física de los nodos dentro de la WSN.
Dado que el enrutamiento es dinámico en la red de sensores, estos encontrarán su ruta
automáticamente.
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
Conclusiones
128
Las principales conclusiones a las que se ha llegado tras la implantación de los sistemas
de monitorización mediante la redes de sensores inalámbricos (WSN), en la
monitorización de variables agronómicas desarrollada en los tres tipos de despliegues,
corto, mediano y de amplia cobertura, se pueden resumir del siguiente modo.
Hardware
Se ha comprobado que, el sensor de suelo EC-20 tiene un buen desempeño para la
monitorización de la humedad del suelo cuando ha sido integrado para trabajar en
conjunto con la mota TelosB debido al suficiente voltaje que le entrega la mota, su bajo
consumo de corriente y por que no necesita ser alimentada de una corriente permanente
todo el tiempo.
El computador embebido Sheevaplug resulta una solución práctica por su tamaño y
capacidad de cómputo en el momento de introducirlo como elemento intermediario
entre la red WSN y la red de área local (LAN), además funciona como servidor web y
base de datos.
Las placas Alix se han visto adecuadas para transportar los datos de la red de sensores
en la combinación de las tecnologías de redes inalámbricas WiFi y WSN.
Conclusiones
129
Software
La combinación de las tecnologías de redes inalámbricas WiFi y WSN, o lo que es lo
mismo integración de los estándares IEEE 802.11 y IEEE 802.15.4, al diseñar una
plataforma de monitorización de variables ambientales y/o agronómicas se ha
comprobado la viabilidad y la escalabilidad de la red con la posibilidad de adquirir
muestras desde lugares aislados hasta su visualización en la web, como lo desarrollado
en el caso de la Amazonía peruana a lo largo del rio NAPO (450 km de red).
Se han integrado satisfactoriamente las diversas aplicaciones empleadas en la presente
tesis doctoral, como son las aplicaciones instaladas en: las motas monitoras, en la mota
sumidero, en los scripts que transforman los datos de los sensores en sus respectivas
unidades, la base de datos y la aplicación web.
En relación a la WSN, se aprecia que con el uso de TinyRPL se pueden establecer las
rutas de los enlaces automáticamente (enrutamiento dinámico frente al enrutamiento
estático), sin necesidad de conocer a priori la ubicación física del siguiente enlace
(mota), lo cual facilita el despliegue de la red de monitorización en el campo de
aplicación, por ejemplo en el caso desarrollado para los campos de golf.
Acerca del alcance de los enlaces entre las motas, se ha comprobado que empleando
Blip2.0/TinyRPL y LPL se puede cubrir perfectamente áreas con radios de 200 metros
en enlaces de un salto, y de 400 ó 600 metros en enlaces de 2 y 3 saltos
respectivamente, siendo un dato importante, ya que por ejemplo la media de la
Conclusiones
130
superficie de invernadero en la provincia de Almería es superior a los 10.000 m2, como
es el caso de la aplicación desarrollada para corto alcance.
Acerca del ahorro de energía para las motas monitoras, dato clave para su utilidad
práctica y real, añadiéndole la opción de ahorro de energía (LPL) se le puede dar un
mayor tiempo de vida útil a las baterías, superior a1 año frente a los 6.5 días en caso de
no emplearlo.
Acerca de la tasa de recepción de la información por parte de la mota sumidero respecto
de las motas monitora, se ha comprobado una tasa de recepción de paquete alta muy por
encima del 50%.
Conclusiones
131
Conclusión general
Se puede decir que en el presente trabajo, se ha estudiado y desarrollado un sistema de
monitorización de variables ambientales principalmente agrícola, utilizando la
tecnología de las redes de sensores inalámbricos (WSN). Los valores que recogen los
sensores o motas son procesados para su fácil entendimiento y análisis. Se han
propuesto tres casos de despliegue de estas redes de sensores de acuerdo a la cobertura
de su trabajo y estas son: de corta, media y larga distancia, poniendo como casos de su
utilización en invernaderos, campo de golf y en la Amazonía peruana respectivamente.
Como conlusión general de la presente tesis docotral podemos afirmar que, el uso de la
WSN en aplicaciones para la monitorización de variables agronómicas carece de
importancia si el usuario final, ya sea agricultor, cuidador del campo de golf
(“greenkeeper”) u otra persona encargada de la plantación no aprecia la información
recogida de una manera entendible y sencilla de lo que está sucediendo en su entorno,
por consiguiente es de vital importancia el manejo de la visualización de los datos a
través de un servidor web, asi una cómoda interpretación como por ejemplo
representándolas en gráficos, tablas, mapas, etc. puede permitir la toma de decisiones
respecto de las variables analizadas.
CAPÍTULO 6
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