Una vez realizada la configuración de los módulos de radiofrecuencia se procedió al desarrolló del prototipo físico del nodo recolecto de datos, para lo cual se consideró el voltaje máximo admitido por el nodo Xbee así como cuál sería el tipo de suministro energético que podría mantener en funcionando una micro estación de monitoreo en un periodo de tiempo determinado, para este caso en particular se implementaron un sensor de temperatura LM35, un sensor de monóxido de carbono MQ-7, un diodo para bajar la intensidad de 3.7 v a 3.3 v, una mini protoboard, jumpers de conexión, un adaptador de pines de 1 mm a 2 mm para conectar el Xbee a la protoboad, tres celdas solares de 200 mili amperios, las cuales están conectadas en paralelo a un regulador de voltaje, del regulador de voltaje salen las líneas de alimentación al par de baterías de un teléfono móvil Motorola el cual se encontraba inservible en gran parte, pero todo el sistema de alimentación energética se encontraba en funcionamiento, los elementos anteriores se implementaron debido a que se ajustaban a las necesidades económicas del prototipo.
Con los conocimientos básicos en electrónica se procedió a realizar el ensamble de la micro estación de monitoreo. El primer paso que se realizo fue conectar el módulo de radiofrecuencia al adaptador de pines y este en la micro protoboard, luego de esto se colocaron los sensores, estos se conectaron en un circuito paralelo con la una de las dos baterías de Litio, cada batería cuenta con una tención máxima de 4.1v, el rango de alimentación de los módulos Xbee S2 es de 2.1v a 3.6v, la capacidad de la batería es de 1500mah, entre el módulo de radiofrecuencia y la otra batería se conectaron tres diodos 1N4007 en serie para bajar la tensión suministrad por la batería al módulo Xbee, seguido de esto se conectaron las líneas de energía para los dos circuitos, finalmente se conectaron el regulador de voltaje a las celdas solares.
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Sin duda una de las grandes preocupaciones para los desarrollo después de tener el en funcionamiento la electrónica fue responder a la pregunta ¿cómo proteger la electrónica ante los embates de la naturaleza?, para responder a este reto se consideraron desde estructuras de metal hechas con ángulo de aluminio hasta realizar elaborados prototipos para ser impreso en tres dimensiones, la solución al alcance del proyecto fue implementar un grupo de accesorios para la tubería de agua en PVC, los cuales conforman la estructura que sostendría las celdas solares, protegería la electrónica y brindaría una buena durabilidad, se utilizaron algunos tornillos de 2 pulgadas para asegurar el recipiente que contendría la electrónica a un tubo de PVC o un bambú guadua de aproximadamente seis metro de largo el cual sostendría con firmeza la plataforma de monitoreo, esta selección de materiales sin duda redujo los costes y simplifico el proceso de manufactura del soporte.
Figura 27 prototipo micro estación de monitoreo
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4.4 ¿CÓMO AFRONTAR EL RETO DE LA DISTRIBUCIÓN DE UN SISTEMA TELEMÉTRICO DENTRO DE UNA ZONA FORESTAL?
Para hacer frente a esta pregunta se contemplaron dos posibilidades las cuales se basan en un soporte estructural hecho en caña de guadua y accesorios de PVC, la primera posibilidad que se planteo fue hacer el despliegue de las micro estaciones de monitoreo en las copas de los árboles y dentro de los claros de una zona forestal, al preguntarle a las personas encargadas de hacer poda de los árboles que se encuentran bajo el amparo del Jardín Botánico de la ciudad de Bogotá sobre la posibilidad de poner objetos amarrados en las copas de los arboles respondieron que es posible teniendo en cuenta que al igual que un ser vivo los arbolar crecen un tamaño determinado y que la altura máxima a la cual se puede escalar está determinada por un grosor mínimo de 10 cm de una rama viva o de color verde, adicionalmente se tendría que llegar a un acuerdo debido a que bajo la regulación actúan no es posible colocarle elementos a los arboles amparador bajo el ministerio del medio ambiente.
La segunda opción que se formulo fue la siembra de cañas de guadua en los lugares donde se instalarían las micro estaciones de monitoreo, esto significaría la introducción de una especie no nativa, es una solución agresiva para el ecosistema y tendría implicaciones tales como la proliferación de esta nueva especie, así como se podría ocasionar una modificación en la composición de la tierra lo cual podría tener el efecto del marchitamiento de algunas especies de flora. Existe la pregunta si se podría asegurar que el bambú guadua se desarrolle de forma adecuada para que tenga la altura necesaria para sostener las micro estaciones de monitoreo, al hacer un examen a detalle sobre la reproducción de la guadua se obtiene que la guadua cuenta con una reproducción sexual esto significa una reproducción por semilla y una reproducción asexual que significa que se debe cortar una parte de la planta para ser sembrar, al observa los sembradíos de esta planta se obtiene que es empleada a segunda forma debido a que la floración de la guadua es esporádica y las plantas nacidas a partir de éstas no presentan buen desarrollo, a esto se le suma el factor de la distancia a la cual serian sembradas las guaduas dentro de una zona forestal, de no ser viable la opción de siembra se podrían implementar guaduas ya cosechadas por cada micro estación de monitoreo.61
61 DOMÍNGUEZ, Juan Carlos. Redactor de EL TIEMPO. 2001. [Citado 28 febrero 2017]. Disponible
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Figura 28. Poda de árbol por el Jardín Botánico
Fuente: Los Autores
El factor más importante el cual podría impedir el despliegue de una red de sensores en una vasta área forestal como por ejemplo los casi 140 kilómetro cuadrados de zona forestal a cargo de la ciudad de Bogotá es el hecho de poder garantizar un enlace de comunicación fuerte entre los nodos que conforman la red para lo cual se debe contar con una línea de visión clara. Este enorme reto es consecuencia de las características particulares del terreno como lo son la diversidad forestal, la geografía del terreno o la saturación en la banda 2.4Ghz con la que puede contar el terreno. Estas características podrían dificultar aún más la tarea de distribución de los nodos dentro de una zona forestal, para realizar un acercamiento a este reto es necesario considerar los diversos factores que determinan la fiabilidad de las radiocomunicaciones entre los nodos, un ejemplo de ello son las zonas de Fresnel. Para darle tratamiento a la enorme dificultad que es garantizar un enlace de comunicación fuerte entre los nodos de radiofrecuencia se planteó que para realizar una eventual implementación de una red de sensores con base tecnológica ZigBee dentro de una vasta extensión de terreno, se debería comenzar por conocer área del terreno, así como también la saturación en la banda libre de radiofrecuencia,
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luego de esto se procedería a realizar el análisis de tamaño de la red preguntándose ¿si es necesario tener una red tan grande como el terreno mismo?, esto es importante para determinar la cantidad de nodos dentro de un conjunto o clúster, recordad que estos puede albergar hasta 254 nodos y se pueden tener al mismo tiempo 255 clústeres conformando una red, si se retoma el ejemplo de los cerros tutelares de la ciudad de Bogotá se podría cubrir toda el área si fuese requerido debido a que cada nodo se encontraría ubicado a una distancia de 100 metros uno del otro, con lo cual en un kilómetro lineal cuadrado se necesitarían tan solo 11 nodos, al contar la ciudad de Bogotá con 140 kilómetros cuadrados de zonas forestales el cálculo para tener una red en dicha extensión seria multiplicar 140 por los 11 nodos necesarios por cada kilómetro lo cual daría como resultado 1540 nodos.
Por otro lado si se desea tener una red tan grande como la extensión del terreno se planteó que se debería dividir el terreno en segmentos con un área de un kilómetro cuadrado, dentro del cual se encentraría una grilla conformada por celdas cuadradas de 100 metros de lado, se observa que para un kilómetro cuadrado se tendrían que implementar 121 nodos y si la extensión de terreno a cubrir son 140 kilómetros cuadrados entonces se tendría que multiplicar 140 kilómetros por los 121 nodos por kilómetro lo cual da como resultado que con 16.940 nodos se podría tener una red a lo largo de esta área, a modo de perspectiva si se toman el número máximo que podría tener una red de sensores Xbee (64770), y se le restan los 16.940 nodos utilizados se puede contemplar que más de la mitad de la totalidad de los nodos disponibles unos 47.830 nodos quedarían a disposición, a continuación se presenta el diagrama que podría facilitar la tarea de distribución.
Figura 29. Grilla por kilómetro cuadrad
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El anterior diagrama ofrecía poca información acerca de la distribución es por ello que se ha planteado una plantilla para hacer la distribución de los nodos en donde cada circulo representa una posible posición para las micro estaciones de monitoreo, sin duda este primer acercamiento al reto de responder la pregunta ¿cómo hacer la distribución de los nodos?, es bastante complejo a simple vista, así que se toma un enfoque geométrico para realizar la distribución de los nodos que conforman una red, a continuación se presenta la primera plantilla propuesta.
Figura 30. Primera plantilla para la distribución de una red
Fuente: Los Autores
La grilla anterior supuso un reto adiciona, si por algún motivo no es posible colocar un nodo de forma perpendicular uno del otro o si se quisiera enviar información en diagonalmente entre nodos ¿cómo solucionar esta circunstancia?
Para solucionar el nuevo reto, se consideró que la diagonal de un cuadrado de 100 metros de lado es aproximadamente 141.5 metros lo cual excede el alcance máximo de los Xbee S2 planteados para este prototipo. Por tal motivo se planteó una distribución más flexible la cual fuese determinada por una grilla de posiciones en donde cada anillo perimetral del cuadrado represente una capa de profundidad de la grilla del segmento, las capas de profundidad se describieron como el número de nodos en diagonal que existen desde el perímetro del segmento hacia el centro de la grilla similar a capas de una cebolla, esto quiere decir que la primera capa es la capa más externa de la grilla y que la última capa en donde el cuadrado perimetral
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tiene tan solo 100 metros de lado la cual sería la capa número 10 la más profunda, con todo lo anterior fue posible además de tener tan solo posiciones perpendiculares tener posiciones diagonales entre los nodos.
La nueva plantilla se logró al incrementar las posiciones para los nodos de modo que se adiciono una posición justo en el medio en cada celda de la grilla, cada celda supone un cuadrado de 100 metros de lado, al haber adicionado una posición central la diagonal entre los nodos ubicados dentro de una celda se reduce a tan solo 70.5 metros aproximadamente, sin embargo, esto conllevo a que el número de nodos se incrementara por cada kilómetro pasando de 121 nodos a 221 por cada kilómetro y que en la cuenta total para cubrir los cerros tutelares se pasara de 16.940 nodos a implementar 33.880 nodos, cabe mencionar que para hacer una implementación real se plantea que la distribución debería ser en función del terreno a monitorear y en el número de micro estaciones distribuidas dentro de un segmento, a continuación, se presenta la plantilla para la distribución propuesta.
Figura 31. Plantilla final para la distribución de una red Xbee
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Dentro de la plantilla para la distribución de micro estaciones de monitoreo el diseñador de la red cuenta con dos partes dentro de la plantilla, la primera parte ubicada en la parte superior es una grilla la cual representa un kilómetro cuadrado, esta grilla cuenta con un índice izquierdo y uno superior para facilitan la tarea de ubicación de los nodos, la segunda parte ubicada en la parte inferior de la plantilla se encuentran cuatro ítems circulares excepto el ultimo el cual es un circulo segmentado, estos círculos representan el rol que puede tener cada nodo en la red de sensores ZigBee en donde finalmente el diseñador con esta grilla podrá realizar la distribución de la red bien sea escribiendo una letra para cada nodo o pintando la posición de acuerdo al color seleccionado para cada uno de ellos, se deberá asociar un identificado único a cada nodo de la red como por ejemplo la dirección MAC, de este modo la ubicación de un nodo se encontraría determinada por el color o la letra que lo representa, la posición dentro de la grilla y la dirección MAC del nodo. El ultimo ítem representa la posición perimetral la cual se contemplada debido a que los segmentos son contiguos, es decir un lado del segmento hace parte del siguiente, por tal razón se ha definido este cuarto ítem, este ítem es una posición que se encuentra en el perímetro del segmento el cual puede contener cualquiera de los roles definidos para los nodos, a esto se le suma el hecho que fue concebido con el fin de resaltar o hacer visible la existencia de un router de conexión hacia otro segmento si se contara con uno, al realizar una conexión entre segmentos se aclara que el nodo de conexión del segmento número uno debe tomar una posición en la primera capa y este se conectara al nodo que se encuentre en frente de el en el segmento número dos dentro de la segunda capa.
Figura 32. Prototipo micro estación
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4.5 VISUALIZACIÓN DEL PROTOTIPO DE SISTEMA TELEMÉTRICO PARA LA