Abstract—The paper describes the design of an automatic irrigation system, using SCADA software and wireless sensor network. Design was made with drip irrigation system method and, the communication between the field and the supervisor system was established using ZigBee devices connected in mesh topology. SCADA System supervises four variables from the field: temperature, soil moisture content, water and nutrients level and ZigBee device status. When a determined value of temperature or soil moisture is reached, the system evaluates if the water and nutrients pipe’s valves must be opened or closed. Device’s status is monitored every time for detecting node failures and, in case of any issue, the user can take decisions on time for avoiding loss of data. This design was made with five ZigBee nodes, but it might be expanded as desired. The paper also explains the complete process, including analysis and comparison of different protocols used for wireless sensor network, as well as the analysis for selecting the appropriate irrigation method.
Index Terms— data logging and acquisition, drip irrigation, precision agriculture, remote monitoring, SCADA, soil moisture, temperature, water saving, wireless sensor network, ZigBee.
I. INTRODUCCIÓN
l desarrollo del sector agrícola es clave para el futuro de una nación. Para el caso colombiano, existe un potencial de crecimiento que ha sido desaprovechado, y aunque su contribución al Producto Interno Bruto (PIB) ha disminuido [1], es una de las actividades esenciales en el crecimiento económico que permite el desarrollo de zonas rurales (especialmente en países en vía de desarrollo), generación de empleo, reducción de la pobreza, seguridad alimentaria y mejora de calidad de vida en el campo.
La agricultura es un sector de alta importancia y se estima que la demanda de alimentos crecerá considerablemente en el futuro, aproximadamente en 70% debido al crecimiento de la población mundial a 9 billones en 2050 [2], por lo que se requiere que el sector agrícola colombiano sea competitivo.
Jimenez. Alex is with Engineering Department, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá D.C. Colombia (e-mail:
Para conseguir esto, las nuevas tecnologías de información juegan un importante rol en la mejora de eficiencia y costos en un proceso [3]. Por lo tanto debería pensarse en su implementación en el sector agrícola.
Obtener el estado del cultivo es importante para poder gestionarlo adecuadamente. Por ejemplo, para conocer la cantidad de abono y nutrientes que necesita, para prevenir la llegada de pestes, para mantener la calidad del producto, entre otros [4]. En algunos casos, esto es realizado manualmente por el agricultor, tarea que cuesta tiempo y dinero.
Para superar este problema, se ha optado por hacer uso de nuevas tecnologías que ayuden a gestionar el cultivo usando diferentes fuentes de datos, y en consecuencia ahorrar tiempo y dinero. Esto se denomina Agricultura de Precisión, y es una tendencia que está revolucionando el proceso agrícola en el mundo [5]. Abarca practicas relacionadas al manejo de cultivos. Una de las aplicaciones relevantes es el manejo de agua y nutrientes utilizando métodos de irrigación. Debido al cambio climático y a la escasez de agua (cada vez más notoria), la atención se centra en tecnologías de irrigación que utilicen poca agua y energía [6].
Los requerimientos para automatizar procesos agrícolas está aumentando, y se enfocan en realizar sistemas económicos y eficientes para controlar diferentes variables, usando poca electricidad y agua [7], lo que conlleva a la reducción de desperdicios que se generan. Todo esto finalmente para ser competitivos en el mercado.
Entre los métodos de irrigación existentes, el sistema por goteo hace un uso eficiente de agua y nutrientes [7]. El agua es distribuida lenta y uniformemente a las raíces de las plantas a través de tubos angostos y válvulas, instalados en todo el cultivo. Sin embargo, la irrigación no garantiza por sí sola que no haya desperdicios de agua y nutrientes. Es por ello que debe existir un proceso adicional que permita determinar la cantidad precisa de agua y nutrientes que necesita el cultivo, así como el periodo de tiempo en que deben ser irrigados los mismos. Para ello se requiere que el cultivo entregue información sobre el estado actual de las variables que lo afectan directamente.
Recientemente, las redes inalámbricas de sensores han surgido como una tecnología prometedora en el campo de
Diseño de sistema de irrigación automático,
utilizando SCADA y red de sensores
inalámbrica
Jiménez Merchán. Alex Camilo
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá D.C, Colombia
[email protected]
sistemas embebidos [8]. El potencial de estas redes depende de la integración de diferentes sensores, desde los más sencillos (temperatura, humedad, presión) hasta los más complejos (GPS, proceso de imágenes, radares, etc) [9]. Los últimos trabajos se han enfocado en aplicaciones con bajo consumo de energía, baja tasa de datos, y dispositivos cada vez de menor tamaño. El usos de redes de sensores en agricultura, específicamente en sistemas de riego, podría optimizar el consumo de agua y nutrientes, mediante el acceso remoto a las variables del cultivo, contribuyendo a una reducción de costos y un menor impacto ambiental [10].
Desde el punto de vista práctico, la automatización debería permitir una gestión fácil de los parámetros de la planta, para reducir la resistencia del agricultor al uso de nuevas tecnologías. En este contexto, un sistema de supervisión (SCADA-HMI) es fundamental para crear la interfaz entre agricultores y equipos de campo. Los sistemas SCADA utilizados para automatización de procesos muestran un crecimiento en su uso en los últimos años [11], abarcando casi todo tipo de industrias, tales como, automotriz, petróleo, acueductos, alimentos y bebidas, líneas de transporte de gas, entre otros. El factor común en estas industrias es que se requiere monitoreo y control de variables del proceso a distancia, similar a un proceso agrícola.
Usando un sistema de supervisión, el agricultor, además de observar el estado en tiempo real de las variables del cultivo, puede almacenar información pertinente para llevar un registro histórico de su comportamiento, y a su vez generar reportes periódicos del mismo. Además podría configurarse un registrador de alarmas que informe al agricultor oportunamente sobre anomalías en el cultivo, mediante el envío de correo electrónico cuando una alarma sea activada.
II.Descripción del sistema diseñado
La Fig.1 muestra el diagrama general del sistema, junto con sus componentes. Cada componente es descrito en las secciones siguientes.
Fig. 1. Diagrama general del sistema propuesto
III. Trabajos relacionados
Esta sección presenta trabajos relacionados en aplicaciones de sistemas de irrigación automático usando redes inalámbricas de sensores. El objetivo consiste en proporcionar antecedentes para comprender lo aportado por cada uno de ellos.
A.Principales aspectos
En los trabajos analizados, algunos aspectos sobresalientes son descritos a continuación:
--Reducción del consumo de agua [8], uso eficiente de energía, y aplicaciones de bajo costo
--Uso de irrigación por goteo [7], debido a que permite obtener máximos resultados en producción y calidad de cosecha y minimizar al mismo tiempo el uso del agua, energía y otros recursos.
--Sensores de temperatura, humedad, y medidores de flujo de agua [12] que envían órdenes al sistema acerca de si se debe enviar más o menos agua al cultivo.
--Protocolos de comunicaciones inalámbricas, (internet, redes celulares, ZigBee).
--Aprendizaje de máquina (Machine learning, en inglés), e información del clima para realizar un modelo predictivo del sistema de riego, teniendo como resultado final los reportes generados por las variables del sistema [13].
--Neuro-controlador de irrigación automática para agricultura de precisión. El sistema regula el nivel de humedad en el suelo agrícola, utilizando control encendido/apagado que abre y cierra las válvulas del sistema de irrigación [14].
--Arduino como unidad de control y adquisición de datos conectado a un computador. Aunque es de fácil uso y bajo costo, basado en software libre y puede integrarse con diferentes módulos de comunicación, no hay notificación de fallas, así que el sistema debe ser probado manualmente para encontrar fallas, y sus aplicaciones se limitan a una escala pequeña, útiles en prototipos debido a la limitación en el uso de entradas y salidas [15].
--Raspberry pi (SO Linux). Puede integrarse con Arduino, Xbee, entre otros, así como permitir la realización de un sistema de automatización de riego más completo. También almacena información en base de datos y la muestra en reportes en portal Web. Es económico, modulable y fácil de configurar. Sin embargo, este computador se utiliza en proyectos de baja escala debido a sus limitaciones en memoria y capacidad de almacenamiento [16].
--PLC. A diferencia de Arduino o Raspberry Pi, procesa mayor cantidad de información, por lo que es aplicable en proyectos de gran escala. También realiza diagnóstico del estado del sistema en tiempo real y es utilizado en sistemas de control en lazo cerrado (PID). Sin embargo, el protocolo de comunicación a usar depende del fabricante de PLC.
IV. Selección método de irrigación
De acuerdo a la información descrita en la sección III.A, se decide utilizar el método de irrigación por goteo, ya que permite obtener máximos resultados en producción y calidad de cosecha y minimizar al mismo tiempo el uso del agua, energía y otros recursos.
V.Selección de sensores A.Criterios de selección
Tipo: Pueden ser activos o pasivos: Los sensores pasivos tienden a ser dispositivos de baja energía. Los sensores activos incluyen radar y sonar; Estos tienden a ser sistemas de alta energía
Consumo de energía: En muchas aplicaciones, los sensores son desplegados en áreas remotas, así que la vida útil de un nodo puede estar determinada por la duración de la batería, por lo que una minimización del consumo de energía es necesaria.
Entorno de operación: es importante conocer el entorno donde los sensores serán desplegados, ya que las condiciones medioambientales pueden incidir en el rendimiento de los sensores.
Capacidad de procesamiento de señal: Los sensores se utilizan para manejar el procesamiento y manipulación de datos a bordo, el almacenamiento transitorio y de corto plazo, el cifrado, la corrección de errores, la modulación digital y la transmisión digital. Pueden tener requisitos computacionales que varían típicamente desde un microcontrolador de 8 bits hasta un microprocesador de 64 bits. Los requisitos de almacenamiento varían típicamente de 0,01 a 100 gigabytes (GB) [17].
Comunicación: La red inalámbrica generalmente tiene un ancho de banda limitado; Las redes pueden ser forzadas a utilizar un canal ruidoso; y el canal de comunicación puede ser relegado a una banda de frecuencia no protegida [17]. Las implicaciones son confiabilidad limitada, mala calidad de servicio (por ejemplo, alta latencia, alta varianza, pérdida de trama alta) y exposición de seguridad (por ejemplo, denegación de servicio, interferencia, interferencias, tasas de error de bits altas).
Conectividad, telemetría y control de dispositivos remotos: los sensores deben tener la capacidad de conectarse a otros dispositivos, para que puedan ser monitoreados remotamente y así realizar procesos de control automático sobre un sistema.
Capacidades computacionales y medición: Normalmente, las redes inalámbricas de sensores tienen capacidad de computación y recursos de memoria limitados. Las implicaciones son restricciones sobre los tipos de algoritmos de procesamiento de datos que pueden ejecutarse en un nodo de sensor.
B.Restricciones:
--Sensores inalámbricos son limitados en energía, capacidad computacional y memorial.
--Circuitería de comunicación y antenas son los principales elementos que usan más energía.
--Entorno donde van a ser instalados los sensores --Frecuencia de operación
--Protocolo de comunicación del sensor --Tamaño del sensor
--Costo --Robustez --Confiabilidad --Sensibilidad
C.Análisis sensores 1)Temperatura
La tabla 1 muestra las características de los sensores disponibles en el mercado, que puede ser utilizada para hacer comparaciones entre ellos, y seleccionar los adecuados para este trabajo.
TABLAI
CRITERIOS PARA SELECCIONAR SENSORES DE TEMPERATURA EN CAMPO DE
IRRIGACIÓN
Criterio Termocupla RTD Termistor
Transductor de temperatura
de Circuito integrado
Rango (-200°C 1372°C ) (-50°C 400°C ) (-55°C 125°C ) (-40°C 260°C ) Estabilidad Buena Excelente Regular Buena
Precisión Media Alta Media Media
Repetitividad Regular Excelente Buena Excelente Sensibilidad Baja Media Muy alta Alta Velocidad de
respuesta Rápida Media Media Rápida
Linealidad Regular Buena Deficiente Excelente Tamaño Grande Mediano Mediano Pequeño
Costo Alto Alto Bajo Bajo
Para el propósito de este trabajo, se asume que la temperatura ambiente de la zona de irrigación se encuentra entre 5°C y 30°C. Partiendo de esta premisa se puede seleccionar el sensor de temperatura apropiado para el proyecto. La termocupla y RTD son mejores en requerimientos de estabilidad, precisión y velocidad de respuesta, que en el termistor y el transductor de temperatura. Sin embargo, sus costos son altos, comparados con los otros dos.
Revisando las características del termistor, se puede inferir que, de los cuatro sensores, es el que menos prestaciones ofrece, porque su linealidad y estabilidad no es buena y es altamente sensible. Esto podría explicar su bajo costo. A diferencia del termistor, los criterios del transductor de temperatura son buenos, a excepción de la alta sensibilidad que presenta.
Debido a lo expuesto anteriormente, se decidió que RTD es el sensor que más se ajusta a los requerimientos del proyecto, a pesar de su costo.
2)Humedad de suelo
TABLAII
CRITERIOS PARA SELECCIONAR SENSORES DE HUMEDAD DE SUELO EN CAMPO
DE IRRIGACIÓN
Criterio Sondas FDR* TDR** Sensor Bloques de yeso neutrones Sonda de
Estabilidad Buena Regular Regular Excelente
Precisión Alta Alta Media Alta
Repetitividad Excelente Excelente Regular Excelente
Sensibilidad Alta Alta Baja Alta
Velocidad de
respuesta Rápida Rápida Lenta Rápida Linealidad Excelente Excelente Regular Buena Tamaño Pequeño Mediano Mediano Grande
De acuerdo con la tabla anterior, la sonda de neutrones es muy costosa y difícil de operar, debido a su tamaño. Los bloques de yeso, a pesar de su bajo costo y baja sensibilidad, no son estables y tienen poca linealidad, lo que los convierte en la última opción, si se compara con los demás sensores de humedad de suelo. Finalmente se comparan las sondas FDR y TDR, las cuales son las que más se ajustan a los requerimientos de este trabajo. Sin embargo, el costo, la estabilidad y el tamaño de las sondas FDR hacen que sea el tipo de sensor de humedad seleccionado para este trabajo.
VI. Análisis de protocolos
En el desarrollo de este trabajo se encontraron diferentes protocolos de comunicación que son utilizados en redes inalámbricas de sensores. A continuación se realiza un análisis comparativo entre ellos.
A.ZigBee
Es un estándar abierto a nivel mundial para redes inalámbricas de radio en los campos de monitoreo y control. El estándar fue desarrollado por ZigBee Alliance y disponible públicamente a partir de Junio de 2005 [18].
Características:
--Soporta una tasa de datos máxima de 250 kbps, con tasas tan bajas como 20kbps [17].
--Diseñados para funcionar varios años con solo un par de baterías.
--Pueden formar redes de mallas conectando desde cientos a miles de dispositivos juntos.
--Bajo costo de implementación --Bajo consumo de energía
--Uso de bandas de radio sin licencia --Instalación fácil de realizar
--Redes flexibles y extensibles B.IEEE 802.11 a/b/g
Es un estándar internacional que define las características de una red de área local inalámbrica (WLAN). Es el primer estándar de esta familia y permite un ancho de banda de 1 a 2 Mbps. El estándar original se ha modificado para optimizar el ancho de banda, o para especificar componentes de mejor manera para garantizar mayor seguridad o compatibilidad. A continuación sus derivaciones [19]:
1)IEEE 802.11a
El estándar 802.11a se basa en la tecnología llamada OFDM (multiplexación por división de frecuencias ortogonales). Transmite en un rango de frecuencia de 5 GHz y utiliza 8 canales no superpuestos.
2)IEEE 802.11b
El estándar 802.11b permite un máximo de transferencia de datos de 11 Mbps en un rango de 100 metros aproximadamente en ambientes cerrados y de más de 200 metros al aire libre (o incluso más que eso con el uso de antenas direccionales).
3)IEEE 802.11g
El estándar 802.11g permite un máximo de transferencia de datos de 54 Mbps en rangos comparables a los del estándar 802.11b. Debido a que utiliza el rango de frecuencia de 2.4 GHz con codificación OFDM, es compatible con los dispositivos 802.11b con excepción de algunos dispositivos más antiguos [19].
C.Bluetooth
Protocolo de comunicación de corto alcance ampliamente usado en teléfonos celulares y otros dispositivos portables (tiene un rango de 10 metros o un máximo de 100 metros con aumento de potencia); opera en la banda ISM de 2.4 GHz y tiene un ancho de banda de 1 a 3 Mbps. Bluetooth se está desarrollando no sólo como un punto a punto, sino también como una tecnología de red [20].
Características: --Bajo costo
--Bajo consumo de energía
--Eliminación de cables entre dispositivos móviles --Facilita conexiones entre productos .
--Uso de ondas de radio omnidireccionales que pueden transmitir a través de muros y otras barreras no metálicas.
--Emplea la técnica de espectro de dispersión de salto de frecuencia.
Hay 79 canales, cada uno con 1MHz de ancho, disponibles para saltar. Un dispositivo Bluetooth debe ser miembro de una picored para poder comunicarse con otros dispositivos. Una picored es una colección de hasta 8 dispositivos que saltan de frecuencia juntos. Cada picored tiene un maestro, normalmente el dispositivo que inició el establecimiento de la picored, y hasta 7 dispositivos esclavos [20]. La dirección Bluetooth del maestro se utiliza para definir la secuencia de salto de frecuencia. Los dispositivos esclavos utilizan el reloj del maestro para sincronizar sus relojes para poder saltar simultáneamente [21].
D.Redes de telefonía móvil
1)GSM
Es una tecnología celular digital abierta que se utiliza para transmitir servicios móviles de voz y datos. GSM utiliza una variación del acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). Digitaliza y comprime los datos, luego lo envía por un canal con otros dos flujos de datos de usuario, cada uno en su propio intervalo de tiempo. Funciona en la banda de frecuencias de 900 MHz o 1.800 MHz. Soporta llamadas de voz y velocidades de transferencia de datos de hasta 9,6 kbps, junto con la transmisión de mensajes de texto. La desventaja de TDMA es que requiere sincronización de tiempo [17].
2)3G
han desarrollado, los fabricantes se están enfocando en el desarrollo de estándares para todas las redes IP [17].
3)GPRS
Permite a los operadores GSM para lanzar servicios de datos inalámbricos, por ejemplo, correo electrónico y acceso a Internet. GPRS ofrece a los operadores la capacidad de utilizar la información para generar ingresos adicionales. Es frecuentemente llamado 2.5G a la luz del hecho de que es un movimiento inicial del administrador GSM hacia la tercera era (3G) y una fase inicial en las administraciones de información remotas. Aunque GPRS es una innovación de información, ayuda a mejorar el límite de voz GSM.
La velocidad de transmisión es de 9.6Kbits a 115K bits. Se utiliza principalmente para la transmisión de datos entre móviles. Permite a los clientes mantener una sesión de información mientras anota una llamada telefónica, que es un componente excepcional y selectivo para GSM. GPRS también proporciona una asociación de información fiable, por lo que los clientes no necesitan autenticarse cada vez que necesitan acceso a la información [22].
E.Comparación de los protocolos analizados
En la tabla 3 se muestra la comparación entre los protocolos antes descritos.
TABLAIII
COMPARACIÓN DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN REDES INALÁMBRICAS DE
SENSORES
3G – 2.5G Wi-Fi Bluetooth ZigBee
Tipo de red WAN/MAN WLAN PAN WSN
Enfoque de aplicaciones
Área amplia de voz y
datos
Datos y
voz-IP o de cables Reemplaz Monitoreo y control Ancho de
banda 64 kbps – 128 kbps 2 – 54 Mbps Mbps 1 – 3 20 kbps – 250 kbps Rango de
transmisión
(m) >900 50 - 100 10 – 100 10 - 100 Consumo de
energía 100 mA 100 mA 30 mA 30 mA
Tamaño Mediano Grande Pequeño Más pequeño Numero máx.
de nodos por
maestro NA 32 7 100
Característica s
Calidad de transmisión y alcance
Soporte, escalabilida
d y costo
Costo, facilidad
de uso
Confiabilidad , uso bajo de energía y
costo
De acuerdo a la comparación realizada entre las tecnologías encontradas, se determina que ZigBee es el protocolo apropiado para el desarrollo de este trabajo, por las siguientes razones:
--Es el que menor consumo de energía requiere, aproximadamente 30 mA como máximo en modo operativo, e incluso menos cuando se encuentra en modo inactivo. La autonomía de un dispositivo ZigBee puede alcanzar 3 años.
--La banda de frecuencia de operación de ZigBee es libre, por lo que no es necesario adquirir una licencia para hacer uso de la misma.
--Tiene un alcance entre 10 y 100 metros, pero puede ser ampliado hasta 1000 metros, utilizando puertas de enlace, enrutadores y mayor cantidad de nodos.
--La implementación de una red ZigBee es menos costosa y más sencilla, que si se realizara con alguno de los otros protocolos
--ZigBee permite alcanzar zonas remotas donde la red de energía eléctrica es inexistente
--El principal uso de dispositivos ZigBee es para supervisión y monitoreo de datos, lo cual se ajusta para su posterior conexión a un sistema SCADA, propósito de este trabajo.
--A pesar que su tasa de bits es la menor de todos los protocolos analizados, lo más importante es la fidelidad de la información recibida, una de las características de ZigBee.
--Es el protocolo más empleado en el uso de redes inalámbricas de sensores, especialmente en agricultura.
VII.Selección de topología ZigBee
Para seleccionar la mejor topología para la red inalámbrica con dispositivos ZigBee, se realizó la simulación de tres topologías (estrella, malla y árbol) por 10 horas, con el fin de determinar aquella con mayor rendimiento, eficiencia y menor pérdida de tráfico. Para ello, se asumió un área de irrigación de 500m x 500m y 10 nodos entre coordinadores, dispositivos finales y enrutadores.
Para realizar la simulación, el software Riverbed Modeler Academic Edition (Antes llamado OPNET), fue utilizado. Sirve para diseño y simulación de redes con diferentes protocolos de comunicación. La ventaja de usar este software consiste en que es fácil de instalar, utilizar, y entrega al usuario información relevante al rendimiento de la red en un determinado tiempo de simulación, como tasa de envío/recibo de datos, retardos, paquetes perdidos, entre otros. Sin embargo, debido a que es un software de pago, solo se hizo uso de la versión académica, la cual está limitada en algunas funciones y solo permite un tiempo máximo de simulación de diez (10) horas, pero para los propósitos de este trabajo es suficiente.
Fig. 2. Simulación Topología en estrella con 10 nodos finales y un nodo coordinador
Fig. 3. Simulación Topología en malla con 7 nodos finales, 3 enrutadores y un nodo coordinador
Fig. 4. Simulación Topología en árbol con 7 nodos finales, 3 enrutadores y un nodo coordinador
A.Análisis y resultados de cada topología
La grafica de rendimiento mostrada en la Fig. 5, muestra que la topología en malla (azul) presenta mejores indicadores de rendimiento que las topologías en árbol y estrella, ya que tiene una tasa de transferencia promedio de 25800 bits por segundo. Por el contrario, la topología en estrella es la que peor rendimiento presenta, con un promedio de 23600 bits por segundo.
Fig. 5. Tasa de rendimiento de cada una de las topologías en 10 horas de simulación
Fig. 6. Tiempo de retardo de cada topología en 10 horas de simulación
Según la Fig. 7, la topología en malla es la que mayor cantidad de tráfico envía, con un promedio de 29200 bits por segundo, seguido muy de cerca por la topología en árbol, cuya tasa de envíos es de 28900 bits aproximadamente. Sin embargo, la menor cantidad de tráfico es enviada usando la topología en estrella, que llega a 26800 bits por segundo.
Fig. 7. Tasa de datos enviados para cada topología en 10 horas de simulación
Similar a la gráfica de la tasa de datos enviados, la gráfica de datos recibidos de la Fig. 8 muestra que la topología en malla es la que recibe más tráfico de datos (292.000 bits por segundo), seguido por la topología en árbol (aproximadamente 288.000 bits por segundo), y finalmente la topología en estrella, que menos tráfico de datos recibe (268.000 bits por segundo).
Fig. 8. Tasa de datos recibidos para cada topología en 10 horas de simulación
Analizando las gráficas obtenidas de la simulación, se puede inferir que la topología menos eficiente es la topología en estrella, porque es la que presenta menor rendimiento, la que mayor tiempo de retardo tiene y la que menor tasa de datos (enviados/recibidos) posee. Por el contrario, la topología en malla es la que mejores resultados presentó, por lo que se puede inferir también, que el hecho de agregar enrutadores, permite obtener mejores resultados que cuando no están presentes.
VIII.Sistema de supervisión, control, y adquisición de datos Para el sistema de supervisión, control y adquisición de datos se utilizó Wonderware, que es una suite de componentes que permiten monitorear el comportamiento en tiempo real e histórico de un sistema. Wonderware se caracteriza por su capacidad de trabajar con diferentes protocolos de comunicación industriales como, Modbus, Profibus, ABCIP, MELSEC, entre otros.
Se decidió utilizar Wonderware, por su versatilidad, fácil manejo e integración con diferentes controladores para diferentes protocolos de comunicación. Además, debido a que el propósito de este trabajo es académico, se puede hacer uso de una licencia de demostración temporal académica de 64 tags (etiquetas), que permite hacer uso de la mayoría de las funcionalidades del programa por un tiempo limitado.
El sistema de supervisión fue realizado con el objetivo de monitorear las variables entregadas por cada dispositivo ZigBee, que en este caso corresponden a temperatura, humedad del suelo, estado del sensor, y niveles de agua y nutrientes. Se compone de las siguientes ventanas/funcionalidades:
--Ventana de alarmas en tiempo real/históricos --Ventana de tendencias en tiempo real/históricos --Ventana del campo de irrigación
--Ventana de la topología de red ZigBee
--Ventana de estado de los sensores desplegados en campo
--Ventana para la generación de reportes --Envío de correo electrónico
A.Ventanas
Fig. 9. Ventana que muestra el nivel de los sensores y el estado actual del dispositivo final ZigBee
En la Fig. 10 se tiene el esquema del cultivo, junto con las tuberías y válvulas y los tanques que contienen agua y nutrientes. El sistema monitorea los valores de temperatura y humedad de suelo para cada nodo. Por ejemplo, si en un nodo, la temperatura es alta y la humedad en el suelo es baja, el sistema envía la orden de activar la válvula que envía agua y nutrientes a la zona del cultivo donde está el nodo. En el caso contrario, si la humedad es alta el sistema envía la orden de cerrar la válvula y así utilizar solo el agua y nutrientes necesarios en esa zona del cultivo. De la misma manera, se muestra si el dispositivo ZigBee está activo, o por el contrario se encuentra inactivo y por ende se genera una alarma.
Fig. 10. Ventana que muestra el cultivo, junto con dos reservorios (tanques) y el estado de cada nodo desplegado
En la Fig. 11 se observa la gráfica de tendencias en tiempo real o histórico. Las variables de temperatura y humedad del sistema de irrigación son configuradas para que almacenen datos, que son almacenados en archivos de texto plano, los cuales pueden ser consultados las veces que sean necesarios. Por ejemplo se puede recuperar información desde hace 5 minutos, hasta incluso 2 meses o más. La grafica de tendencias cuenta con un botón para pausar la gráfica en caso de realizar un análisis detallado de la información. Si se desea ver la información de una variable en especial, hay un botón que permite hacer esto.
Fig. 11. Ventana que muestra la gráfica de tendencias en tiempo real e histórico para cada variable monitoreada.
En la Fig. 12 se muestra la ventana de alarmas, que se divide en dos elementos: el elemento superior consiste en la tabla de alarmas que se generan en tiempo de ejecución y no se almacenan en ningún archivo. Esta tabla tiene 5 selectores al lado izquierdo, para visualizar alarmas según el nodo donde se generaron. En la parte inferior se encuentra la tabla de alarmas históricas, que puede ser almacenada, ya sea en un archivo de texto plano, o en una tabla en base de datos. El extracto de alarmas históricas generadas en un archivo de texto plano, se muestra en la tabla 4
Fig. 12. Ventana que muestra las alarmas generadas en tiempo real (tabla superior) y aquellas almacenadas en base de datos (tabla inferior).
TABLAIV
EXTRACTO DE UN REPORTE DE ALARMAS GENERADO DESDE EL SISTEMA DE
SUPERVISIÓN
Date Time TagName Group Value Status
29-ene-17 10:40:00.262 Moist5 ZigbeeNode4 13.8788 UNACK
29-ene-17 10:40:00.262 Temp1 ZigbeeNode1 36 UNACK
29-ene-17 10:40:00.262 Temp4 ZigbeeNode3 36 UNACK
29-ene-17 10:40:00.262 Temp7 ZigbeeNode5 38 UNACK 29-ene-17 10:40:00.262 Temp6 ZigbeeNode4 30 ACK_RTN
29-ene-17 10:40:01.262 Moist5 ZigbeeNode4 80.9161 UNACK
29-ene-17 10:40:01.262 Temp7 ZigbeeNode5 32 UNACK
29-ene-17 10:40:02.262 Moist5 ZigbeeNode4 13.4593 UNACK
29-ene-17 10:40:02.262 Temp7 ZigbeeNode5 22 ACK_RTN
29-ene-17 10:40:03.262 Moist5 ZigbeeNode4 81.6709 UNACK
29-ene-17 10:40:03.262 Moist7 ZigbeeNode5 81.8732 UNACK
29-ene-17 10:40:04.262 Moist5 ZigbeeNode4 13.2204 UNACK
Date Time TagName Group Value Status
29-ene-17 10:40:05.262 Temp4 ZigbeeNode3 34 UNACK
29-ene-17 10:40:06.262 Moist5 ZigbeeNode4 13.098 UNACK
29-ene-17 10:40:06.262 Moist6 ZigbeeNode4 17.036 UNACK
29-ene-17 10:40:06.262 Temp7 ZigbeeNode5 34 UNACK
29-ene-17 10:40:07.262 Moist5 ZigbeeNode4 81.9973 UNACK
29-ene-17 10:40:07.262 Temp4 ZigbeeNode3 30 ACK_RTN
29-ene-17 10:40:07.262 Temp7 ZigbeeNode5 37 UNACK
29-ene-17 10:40:08.262 Moist5 ZigbeeNode4 13.0245 UNACK
29-ene-17 10:40:08.262 Moist7 ZigbeeNode5 90.7093 UNACK
29-ene-17 10:40:08.262 Temp7 ZigbeeNode5 28 ACK_RTN
La Fig. 13 muestra la ventana para generación de reportes manuales. Estos pueden ser generados manualmente, o de forma automática, mediante un comando que se ejecuta cada cierto periodo de tiempo. Por ejemplo, si se requiere un reporte diario del estado del cultivo, se programa el comando para que se ejecute una vez al día, y así generar el documento. Para el caso de los reportes manuales, el usuario selecciona la duración del reporte, ya sea en horas, días o semanas. A continuación selecciona el periodo entre datos, es decir cada cuanto tiempo desea ver datos en el reporte (cada minuto, cada hora, etc). Asimismo debe ingresar la fecha y hora en que el reporte inicia. La ruta del directorio donde está alojada la aplicación SCADA, la ruta donde se encuentran los archivos históricos, y la ruta donde se guarda el reporte se muestran también.
Dependiendo del tipo de reporte, el usuario puede seleccionar ya sea de temperatura, humedad y estatus. Para terminar, el usuario debe oprimir el botón “Save Report” para que el reporte sea generado. Si alguno de los parámetros anteriormente descritos no fue ingresado correctamente, aparecerá un mensaje de error. En la tabla 5 se muestra un ejemplo de un reporte generado desde esta ventana.
Fig. 13. Ventana para la generación de reportes personalizados sobre las variables del cultivo.
TABLAV
EJEMPLO DE UN REPORTE GENERADO DESDE EL SISTEMA DE SUPERVISIÓN
$Date $Time Temp1 Temp2 Temp3 Temp4 Temp5
01/29/17 8:35:00 24 17 37 40 24
01/29/17 8:35:30 40 32 37 39 27
01/29/17 8:36:00 40 33 31 38 30
01/29/17 8:36:30 10 17 24 37 33
01/29/17 8:37:00 22 18 18 36 36
01/29/17 8:37:30 40 33 12 35 39
01/29/17 8:38:00 40 32 14 34 38
01/29/17 8:38:30 11 16 20 33 35
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01/29/17 9:19:00 40 37 21 17 15
01/29/17 9:19:30 40 28 27 16 18
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01/29/17 9:20:30 13 23 38 16 24
01/29/17 9:21:00 40 38 35 15 27
01/29/17 9:21:30 40 27 29 14 30
01/29/17 9:22:00 20 11 22 13 33
01/29/17 9:22:30 11 24 16 10 36
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01/29/17 9:23:30 40 25 16 11 38
01/29/17 9:24:00 20 12,5 22 14 35
01/29/17 9:24:30 11 25 28 13 32
01/29/17 9:25:00 40 40 34 14 29
01/29/17 9:25:30 40 24 39 15 25
01/29/17 9:26:00 23 12,5 34 16 22
01/29/17 9:26:30 11 26 28 18 19
01/29/17 9:27:00 39 38 21 20 16
01/29/17 9:27:30 40 23 15 20 13
01/29/17 9:28:00 25 11 12,5 21 10
01/29/17 9:28:30 11 27 16 20 13
01/29/17 9:29:00 35 38 22 21 16
01/29/17 9:29:30 40 22 28 22 19
01/29/17 9:30:00 29 13 34 23 22
01/29/17 9:30:30 10 28 40 24 25
01/29/17 9:34:30 10 30 29 32 38
IX. Conclusiones
Se realizó el diseño de un sistema de irrigación automático, utilizando redes de sensores inalámbricos y sistema de supervisión SCADA.
El trabajo desarrollado muestra un análisis detallado para seleccionar desde el método de irrigación, el protocolo de comunicación y los sensores a desplegar. Dado que se trata de un diseño, se realizó con 10 dispositivos ZigBee, distribuidos en 5 nodos. El objetivo es que esto sirva como base para realizar aplicaciones a mayor escala
Se realizó la simulación de adquisición de datos desde el cultivo para mostrar la importancia de almacenar la información de un proceso agrícola. También se evidencia que, el hecho de involucrar nuevas tecnologías en la automatización de procesos no significa que sean costosas de implementar, ya que como se observó no se requiere utilizar bases de datos para almacenar la información, sino que haciendo uso de algunas funcionalidades del sistema SCADA se pudo almacenar en archivos planos, evitando así la compra de licencia de un gestor de bases de datos, aspecto que hubiese aumentado el costo del sistema.
El uso de dispositivos ZigBee como dispositivos de campo, permite la realización de sistemas de riego a bajo costo, ya que como se describió en la sección VI.E, las ventajas que ofrece sobre los demás protocolos, en términos de costos y consumo de energía son sobresalientes.
X.Trabajos Futuros
Debido al propósito de este trabajo, solo se incluyeron funcionalidades básicas de un sistema de riego automático. No obstante, se reconoce que este trabajo puede ser el punto de partida para el desarrollo de nuevas aplicaciones que incluyan más y mejores funcionalidades.
Como trabajo futuro se contempla la implementación de un módulo que permita enviar mensajes SMS al celular del usuario, agregando así un modo de notificación.
El uso de redundancia en un sistema de riego es contemplado como trabajo futuro, para evitar perdida de datos en el cultivo, tanto del lado de la adquisición de datos, como del lado del almacenamiento
El uso de un portal web donde se pueda monitorear el sistema, también está contemplado como un trabajo futuro.
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