Diseño de una red inalámbrica para la gestión y control del sistema Integral de sistemas de riego

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DISEÑO DE UNA RED INALÁMBRICA PARA LA GESTIÓN Y CONTROL DE UN SISTEMA INTEGRAL DE SISTEMAS DE RIEGO

CAMILA ANDREA MALDONADO BORDA

LEONARDO PINEDA CUSBA

FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA

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DISEÑO DE UNA RED INALÁMBRICA PARA LA GESTIÓN Y CONTROL DE UN SISTEMA INTEGRAL DE SISTEMAS DE RIEGO

Tesis de ingeniería electrónica presentada por:

CAMILA ANDREA MALDONADO BORDA 20091005015

LEONARDO PINEDA CUSBA 20082005002

Proyecto de grado en la modalidad de Investigación - Innovación para optar por el título de:

Ingeniero Electrónico

Director: Ing. Julián Rolando Camargo López Docente Facultad Ingeniería - Universidad Distrital

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTA D.C.

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AGRADECIMIENTOS

Leonardo Pineda

Alrededor de este sueño, se encuentran los seres que más quiero, mi familia, amigos, compañeros de estudio, personas que desde hace mucho tiempo llevan apoyándome en esta etapa de mi vida. Quisiera agradecerles dedicándoles este libro y el logro más anhelado, mi título universitario como ingeniero electrónico. A mi madre que hace 4 años está en el cielo, mi mayor inspiración, para poder culminar esta carrera y mi padre la fuerza espiritual presenta cada día. A los profesores guías y tutores que nos dieron la oportunidad.

Camila Andrea Maldonado Borda

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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN

INTRODUCCION

CAPITULO 1. PRELIMINARES

1.1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA 1.2. OBJETIVOS

1.2.1. General 1.2.2. Específicos 1.3. JUSTIFICACION

1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES 1.4.1. Alcances

1.4.2. Limitaciones

CAPITULO II. ESTADO DEL ARTE

2.1. SISTEMA DE RIEGO

2.2. RED INALÁMBRICA DE SENSORES (WSN)

2.3. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 2.3.1. Topologías de Comunicación Inalámbrica

2.4. TECNOLOGIA DE COMUNICACIÓN LoRa 2.4.1. Protocolo de comunicación LoRaWAN 2.4.2. Clasificación de dispositivos LoRa 2.4.3. Seguridad de LoRaWAN

2.4.4. Tecnología LoRa para sistemas IoT y M2M 2.5 DESARROLLOS ACTUALES

2.5.1. División del proceso con parámetros

2.5.2. Desarrollo de un sistema WSN para la agricultura de precisión 2.5.3. Orange despliega una red para el internet de las cosas

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CAPITULO III. ESTRUCTURA Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

3.1. SISTEMA CENTRAL DE PROCESAMIENTO DE DATOS 3.1.1. Microcontrolador

3.1.2. Reloj de tiempo real RTC

3.2. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 3.2.1. Comparación de tecnologías de corto alcance

3.2.2. Protocolo de comunicación Bluetooth 3.2.3. Comparación de tecnologías de largo alcance 3.2.4. Protocolos de comunicación LoRa

3.3. DESCRIPCIÓN DE SENSORES 3.3.1. Sensor digital de temperatura 3.3.2. Sensor analógico de humedad

3.3.3. Sensor digital de humedad y temperatura 3.3.4. Sensor de presión y temperatura BMP180 3.3.5. Sensor de luz ambiente BH1750

3.4. DISEÑO DE DRIVERS PARA LOS ACTUARES

3.4.1. Electroválvulas Solenoides o tipo Latch de corriente continúa 3.4.2. Electroválvulas de corriente alterna

CAPITULO IV: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

4.1. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PLACA BASE 4.1.1. Costo de implementación

4.2. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO COMUNICACIÓN BLUETOOTH 4.3. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO COMUNICACIÓN LORA

4.3.1. Costo de implementación

4.4. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO DE ACTUADORES 4.4.1. Actuadores con electroválvulas de corriente continua 4.4.2. Actuadores con electroválvulas de corriente alterna 4.5. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO SENSORES

CAPITULO V: DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO MODULAR

5.1. MODULO BÁSICO

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5.4. DESARROLLO DEL ALGORITMO 5.4.1. Etapa de inicialización

5.4.2. Interrupción de alarma 5.4.3. Interrupción de minuto

5.4.4. Interrupción de comunicación Bluetooth

CAPITULO VI: RECOLECCION Y ANALISIS DE DATOS

5.1. COMUNICACIÓN LORA

5.2. CONSUMO DE ENERGIA Y OPTIMIZACIÓN 5.2.1. Consumo del sistema de riego

5.2.2. Consumo de tarjeta de actuadores CAPITULO VI: CONCLUSIONES

CAPITULO VII: TRABAJOS A FUTURO

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Esquema general de un sistema de riego. Figura 2. Elementos de una red de sensores.

Figura 3. Topologías según distribución física a) malla, b) estrella, c) arbol, d)bus, e) anillo Figura 4. Estructura básica de la comunicación LoRa.

Figura 5. Alianza Internacional LoRa.

Figura 6. Microcontrolador MSP430F5529 package LOFP y asignación de pines. Figura 7. Reloj de Tiempo Real DS3132.

Figura 8. Ilustración de las categorías de redes inalámbricas.

Figura 9. Módulos de comunicación LoRa SX1276 (izq.), RF96W (centro) y RN2903 (der.) Figura 10. Diagrama de bloques RN2903.

Figura 11. Diagrama de una simple red LoraWAN™

Figura 12. Interfaz de comandos y relación con los componentes internos del RN2903. Figura 13. Sensor digital de temperatura DS18B20.

Figura 14. Sensor de Humedad de Suelo SE01214.

Figura 15. Sensores de temperatura y humedad digital DHT22. Figura 16. Sensor de presión y temperatura BMP180

Figura 17. Sensor de luz ambiente BH1750

Figura 18. Esquemático de la estructura de una electroválvula Solenoide. Figura 19. Electroválvulas tipo Latch Galcon.

Figura 20. Diagrama detallado de circuito interno. Figura 21. Circuito bidireccional de un motor.

Figura 22. Esquemático driver actuadores tipo LATCH Figura 23. Esquemático driver actuadores tipo AC Figura 24. Tarjeta de circuito - Placa base

Figura 25. Configuración del dispositivo HC-05 junto con la placa de fábrica Figura 26. Modelo final de fabricación de modulo Bluetooth HC-05

Figura 27. Tarjeta circuito impreso del módulo RN2903 Figura 28.Tarjeta implementada del módulo RN2903 Figura 29. Conexión entre módulo LoRa y microcontrolador Figura 30. Diseño de circuito impreso módulo de actuadores

Figura 31. Implementación de circuito impreso tarjeta actuadores tipo latch Figura 32. Diseño del circuito impreso tarjeta de actuadores corriente alterna Figura 33. Implementación circuito impreso tarjeta actuadores tipo AC Figura 34. Diseño circuito impreso tarjeta de sensores

Figura 35. Ilustración en diagrama de bloques del módulo básico Figura 36. Representación en bloques del módulo básico

Figura 37. Ilustración PCB'S para su conexion. Círculos blancos (Conexion tarjeta de sensores), círculos amarillos (conexion tarjeta actuadores tipo latch), círculo naranja (tarjeta Bluetooth) Figura 38. Representación del diseño del módulo básico

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Figura 41.Ilustración PCB´S para su conexión. Círculos amarillos (Conexión tarjeta LoRa), Circulo naranja (Bluetooth)

Figura 42. Ilustración Diseño Modulo Central.

Figura 43. Ilustración en diagrama de bloques del módulo final o periférico. Figura 44. Representación en bloques del módulo final.

Figura 45 Ilustración diseño módulo final.

Figura 46. Ilustración en diagrama de bloques del sistema de riego con módulos central y final. Figura 47. Diagrama de flujo etapa de inicialización

Figura 48. Diagrama de flujo interrupción de alarma. Figura 49. Diagrama de flujo interrupción de minuto.

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Métodos de Riego Actualmente Implementados. Tabla 2. Especificaciones microcontrolador Msp430f5529.

Tabla 3. Especificaciones eléctricas microcontrolador Msp430f5529. Tabla 4. Características generales del RTC DS3231.

Tabla 5. Tabla comparativa de tecnologías inalámbricas de corto alcance. Tabla 6.Tipos de versiones de Bluetooth de los últimos años.

Tabla 7. Tabla comparativa de tecnologías inalámbricas de largo alcance. Tabla 8. Especificaciones generales del módulo RN2903.

Tabla 9. Especificaciones eléctricas del módulo RN2903.

Tabla 10. Características principales del sensor de temperatura DS18B20. Tabla 11. Características principales del sensor de temperatura SE01214.

Tabla 12. Características principales del sensor de humedad y temperatura DHT22. Tabla 13. Características principales del sensor de presión y temperatura BMP180. Tabla 14. Características principales del sensor de presión y temperatura BH1750. Tabla 15. Tabla lógica de manejo para electroválvulas.

Tabla 16. Componentes del driver de actuadores tipo LATCH. Tabla 17. Componentes del módulo de actuadores AC.

Tabla 18. Costo de implementación de sistema de riego.

Tabla 19. Costo de implementación tarjeta comunicación LoRa. Tabla 20. Costo de implementación tarjeta de actuadores tipo Latch. Tabla 21. Costo de implementación tarjeta de actuadores tipo AC. Tabla 22. Resultados de prueba de distancia para módulos LoRa.

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RESUMEN

Este trabajo hace parte del proyecto “Sistema integral de gestión de sistemas de riego” desarrollado por el grupo de investigación LASER (Laboratorio de Automatización, Sistemas Embebidos y Robótica) de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas con el cual se desarrolló una plataforma de gestión y administración de datos que permita el monitoreo de las variables de un cultivo y la conmutación de actuadores. Esta plataforma se basa en la arquitectura Cliente-Servidor de tal forma que la información del sistema sea almacenada en una base de datos y se redistribuya hacia una WSN (Wireless Sensor Network o Red Inalámbrica de sensores) de tal forma que el cliente pueda conocer las condiciones de los cultivos desde cualquier parte del mundo. La plataforma permite administrar e interactuar con los datos del sistema de riego en tiempo real y almacenarlos en la red, esta se construyó con la implementación de hardware y desarrollo de software, los cuales se llevaron a cabo en paralelo y se presentan de manera específica en diferentes documentos. Para el desarrollo del software se implementó una aplicación Web multiplataforma, enfocada en el sistema operativo Android que permite mayor interacción y accesibilidad a los usuarios ofreciendo conectividad a todo tipo de dispositivo ya que está presente en gran variedad de terminales.* Por tal motivo se garantiza para este proyecto grandes posibilidades de crecimiento y mejora.

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INTRODUCCION

El sistema de riego, es un método del sector agrícola que tiene como fin optimizar la producción y favorecer su crecimiento y desarrollo, se ha ido implementado a lo largo de los años a nivel mundial. La diversidad de los métodos de riego artificiales varía dependiendo del tipo de cultivo, características físicas de terreno, comportamientos meteorológicos y parámetros de producción planteados, por ende las alternativas van surgiendo al tiempo que la tecnología aporta en la agricultura. El desarrollo de las tecnologías en cuanto a los métodos de riego implementados, van desde los métodos superficiales tradicionales hasta los métodos presurizados dando paso a los sistemas de riego automatizados que apuntan hacia el internet de las cosas con el fin de poder administrar los cultivos desde cualquier lugar monitoreando y registrando los datos en tiempo real desde la red.

Durante los últimos años se ha hecho cada vez más visible la problemática ambiental que enfrenta el mundo debido en parte a la excesiva contaminación atmosférica que se presenta en las grandes ciudades, donde el área forestal ha sido reducida casi por completo en consecuencia se han creado políticas locales y nacionales, en varios países del mundo, con el fin de concientizar a la sociedad acerca de la importancia del agro y la forestación para enfrentar los efectos del cambio climático. La ingeniería electrónica presenta nuevas alternativas que se quieren implementar en el campo agrícola generando innovación en el sector, dando herramientas para la gestión, control y desarrollo de los cultivos incentivando el uso eficiente del recurso hídrico.

La optimización de recursos naturales es pieza fundamental actualmente del desarrollo de proyectos en la ingeniería, las herramientas desarrolladas tanto de software como de hardware se plantean de forma estratégica para obtener un sistema no solo de bajo costo sino también de bajo consumo de energía y espacios físicos; con el fin minimizar los efectos de algún proceso en su ambiente natural. Las plataformas de desarrollo y protocolos de comunicación inalámbrica, por sus características brinda soluciones a una diversidad de sistemas evitando extensas redes de cableado y problemas con el deterioro de la conexión.

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CAPITULO 1. PRELIMINARES

1.1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA

Colombia durante los últimos años, ha venido perfilándose como uno de los países que pueden llegar a ser potencia agroalimentaria del mundo, debido a que cuenta con una variedad de características geográficas para el desarrollo del sector agrícola. [1] Una de las características es su ubicación geográfica en la zona tropical, por lo que ofrece diversidad en cuanto a estados de clima o temperatura, altitudes a nivel del mar, cambios de presión, un gran porcentaje de suelos disponibles para la producción agrícola entre otras. Lo que implicaría que el país tendría un papel importante en la problemática del sistema alimentario sostenible que presentará en algunos años la población mundial según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, FAO [2]. Por tal motivo, se ha aumentado la inversión y atención en el sector por parte de entidades públicas y privadas para realizar procesos de investigación e innovación, que además de apoyar el desarrollo de la agricultura en el país también tiene como objetivo mitigar el efecto del cambio climático.

Por lo expuesto anteriormente, se hace visible la importancia de diseñar y generar sistemas que ayuden a mejorar el desarrollo de la agricultura del país con el cual también se mejore la administración de los recursos necesarios para la producción. ¿Es posible diseñar e implementar un sistema integral de bajo costo para la administración, gestión y control de cualquier tipo de cultivo, mejorando la producción y sus costos, reduciendo además el impacto ambiental que se produce normalmente?

1.2. OBJETIVOS

1.2.1.General

Diseñar e implementar un sistema integral de riego de bajo costo que permita el control de parámetros ambientales del cultivo y la reducción del consumo de energía, agua y fertilizantes.

1.2.2.Específicos

• Diseñar e implementar módulos remotos que incluyan diversos tipos de sensores (temperatura, humedad, luz, entre otros) y actuadores (AC/DC), que permitan adaptarse a las características de cada cultivo.

• Diseñar un sistema que se pueda adaptar a los requerimientos del usuario de acuerdo al lugar y las condiciones en las que se va a implementar el sistema de riego.

• Adoptar y desarrollar una comunicación inalámbrica efectiva, rápida y segura, entre los dispositivos hardware del sistema y el desarrollo software para el traspaso de información al usuario y su base de datos.

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1.3. JUSTIFICACION

Los productos agrícolas de mayor exportación en el país son el café, el banano y las flores. [3] Sin embargo el país tiene toda la capacidad de ampliar este espectro de productos de exportación debido a sus ventajas en la agricultura, por tanto es de suma importancia buscar nuevos métodos que permitan monitorear y administrar algunas o todas las variables a las cuales son sensibles cada tipo de cultivo, entre las cuales se pueden mencionar la humedad, la acidez del suelo, la temperatura, el clima, entre otras. Con el fin de resolver este problema se vienen estudiando diferentes sistemas de gestión para sistemas de riego, a los cuales no se les ha realizado gran difusión y su presencia en el sector agrícola es muy bajo comparado con las técnicas tradicionales que se siguen manejando, por esto es necesario un sistema que además de cumplir con su tarea principal sea adaptable a las necesidades del tipo de cultivo y de fácil operación para todo tipo de usuario con el fin de fomentar la tecnificación del campo en los pequeños productores. Así, con este tipo de sistema se puede lograr suplir diferentes necesidades en distintos entornos como el caso del proyecto techos verdes que se maneja actualmente en Bogotá D.C. con el fin de mitigar los efectos del cambio climático y el calentamiento global aumentando las zonas verdes de la capital.

1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES

1.4.1.Alcances

Con este proyecto se espera generar un aporte e innovación en las tecnologías de los sistemas de riego en la agricultura colombiana. Se pretende desarrollar una herramienta que genere un impacto social y ambiental en el sector agrícola por medio de la implementación asertiva respecto al funcionamiento de los sistemas de riego bajo diferentes factores ambientales, utilizando un sistema modular inalámbrico sencillo e intuitivo que permita adaptarse a las especificaciones propias de cada cultivo o necesidades del entorno. En la actualidad el 90% de la superficie agrícola de Colombia utiliza algún tipo de sistema de riego, de lo cual el 61 % ha sido desarrollado y manejado por el sector privado según un estudio de la Organización para la alimentación y la agricultura, FAO. [4] Sin duda lo que se viene buscando al implementar la tecnología en los sistemas de riego, es lograr que se haga más remoto el monitoreo y trabajo de riego en los diferentes cultivos agrícolas. Establecer una autonomía en esta clase de sistemas será la tendencia a futuro del mercado agrícola.

1.4.2.Limitaciones

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CAPITULO II. ESTADO DEL ARTE

2.1. SISTEMA DE RIEGO

Un sistema de riego es un circuito hidráulico localizado en un terreno agrícola, con el fin de suministrar el agua, nutrientes y los pesticidas necesarios para el crecimiento sano de plantas y árboles; existen diferentes tipos de sistemas de riego como lo son: por goteo, por tuberías emisoras, micro aspersión, micro difusión, hidropónico y nebulización

Todos estos sistemas comparten una misma estructura conformada por, el cabezal de riego, la red de distribución de agua y los emisores; además de compartir los elementos que conforman el equipo de riego tales como: Fuente de Agua, unidad de presión, unidad de filtrado, unidad de fertilización, conducción, válvulas y emisores. La estructura típica de un sistema de riego se presenta en la fig. 1.

Figura 1. Esquema general de un sistema de riego. [5]

2.1.1. Tipos de riego

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Métodos superficiales o de gravedad tradicionales

El agua se desplaza sobre la superficie del área a regar, cubriéndola total o parcialmente, conducida solamente por la diferencia de cota entre un punto y otro por la acción de la fuerza de la gravedad (de ahí el nombre de métodos gravitacionales). No requieren inversiones en equipos de bombeo, pero en cambio precisan de un alto grado de sistematización previa.

Tipo de Riego

Con o sin pendiente Surcos Inundación Corrimiento (desbordamiento) Métodos superficiales o de gravedad tecnificados

Son métodos que buscan evitar las pérdidas que se producen en los métodos gravitacionales tradicionales con el objeto de mejorar el control y la homogeneidad en que el agua es aplicada.

Tipo de Riego Características

Conducción por Tuberías

Reducen las pérdidas por conducción fuera de los límites de los cuadros de cultivo.

Dosificadores a los Surcos

Son métodos que logran un caudal equitativo, mediante el uso de “sifones” para tomar de canales a cielo abierto o de orificios uniformes y regulables si los surcos son abastecidos desde mangas o tuberías.

Riego discontinuo o con dos caudales

Buscan mejorar la uniformidad de infiltración a lo largo de los surcos y reducir a un mínimo las pérdidas por escurrimiento al pie. Mediante la interrupción del caudal o el uso de caudales variables. El caudal grande logra un mojado más rápido de la totalidad del surco y luego aportan un caudal mínimo que se infiltra casi en su totalidad.

Métodos Presurizados.

Requieren de presión hidráulica para su operación. Entre sus ventajas están: mejor adaptación a las aplicaciones de escaso volumen en las que las plantas reaccionan mejor, uso eficiente del agua y no precisan sistematización del terreno. Por otro lado, el principal inconveniente radica en la mayor inversión que requiere, tanto en equipos de riego como en infraestructuras.

Tipo de Riego Características Ventajas

Por Aspersión Consiste en la aplicación de agua al suelo, simulando una lluvia uniforme sobre el cultivo con el objetivo de que el agua se infiltre en el mismo punto donde cae.

• Menor consumo de agua que riego por inundación.

• No requiere nivelación de terreno.

Por microaspersión El agua se aplica en forma de lluvia fina con un riego localizado y uniforme. Su uso es Por goteo Suministra el agua de manera uniforme y a

intervalos frecuentes, aplicando el agua de forma directa en la zona radicular de la planta reduciendo la presencia de maleza. Tiene una gran capacidad de automatización.

• Uso eficiente del agua. • Mayores uniformidades y

eficiencias de riego.

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Tabla 1. Métodos de Riego Actualmente Implementados. Fuente: Propia

2.1.2. Variables del sistema de riego

Las variables de interés en un sistema de riego son aquellas que tienen una incidencia directa sobre las plantas y su entorno de desarrollo, en este proyecto se clasifican como variables de entrada aquellas que están relacionadas con los datos meteorológicos de su ambiente como latemperatura, la radiación solar, humedad del aire, PH del suelo entre otras y como variables de salida los estados de encendido y apagado de electroválvulas.

2.1.2.1. Humedad

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un gas (en inglés, “humidity”) o de agua absorbida en un líquido o un sólido. La masa de vapor de agua contenida en un gas (g/m3) se denomina humedad absoluta. Normalmente se mide la denominada humedad relativa que es la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturación a una temperatura dada. Se expresa en tanto por ciento. [6]

2.1.2.2. Temperatura

La radiación solar absorbida por la atmósfera y el calor emitido por la tierra elevan la temperatura del aire. El calor sensible del aire circundante transfiere energía al cultivo y entonces ejerce un cierto control en la tasa de evapotranspiración. En un día soleado y cálido, la pérdida de agua por evapotranspiración será mayor que en un día nublado y fresco. [7]

2.1.2.3. Radiación Solar

La radiación solar es la más importante fuente de energía en el planeta y puede cambiar grandes cantidades de agua líquida en vapor de agua. El potencial de radiación que puede llegar a una superficie viene determinada por su ubicación geográfica y época del año.

Hidropónico En estos sistemas se cultiva utilizando sustratos inertes irrigados mediante sistemas de riego por goteo, subirrigación o exudación.

Provee al sistema radicular de un nivel de humedad

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La radiación solar real que alcanza la superficie evaporante depende de la turbidez de la atmósfera y de la presencia de nubes que reflejan y absorben cantidades importantes de radiación. Cuando se determina el efecto de la radiación solar en la evapotranspiración, se debe también considerar que no toda la energía disponible se utiliza para evaporar el agua. Parte de la energía solar se utiliza también para calentar la atmósfera y el suelo. [8]

2.1.2.4. Variables de Salida

Las variables de activación en el sistema de riego son el estado de cada una de las electroválvulas y los tiempos de encendido ya sea individualmente o por grupos de válvulas. Se estableció para el proyecto que las variables de salida son digitales y cada electroválvula tiene asociada una variable “estado” en donde se indica si la variable está activa o inactiva

2.2. RED INALÁMBRICA DE SENSORES (WSN)

Las redes inalámbricas de sensores (WSN Wireless Sensor Network), se basan en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de obtener información de su entorno, procesarla localmente, y comunicar a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación llamado Gateway. [9]

Los nodos actúan en la infraestructura de comunicaciones al reenviar los mensajes transmitidos por nodos más lejanos hacia el Gateway. Las WSN tienen un sistema de auto-restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. Las capacidades de auto-diagnóstico, auto-configuración, auto-organización y reparación son características de este tipo de redes para resolver problemas que no son posibles en otras tecnologías.

Figura 2. Elementos de una red de sensores. [9]

2.3. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

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En la actualidad el internet de las cosas viene tomando gran importancia en nuestra vida cotidiana tomando cada vez mayor importancia la reducción de costos, tamaños y consumo de energía de todos aquellos dispositivos que componen este gran entorno del internet de las cosas, miles de dispositivos conectados a la red recolectando información. En específico hablaremos de las tecnologías de comunicación implementadas en los sistemas actuales, en primer lugar hablaremos de la tecnología GSM/3G el cual tiene un alto costo debido a que requiere el pago de un plan de datos, en segundo lugar las tecnologías WiFi/Bluetooth que tienen un bajo radio de cobertura y en ambos casos presentan altos consumos de energía. En la búsqueda de mejores condiciones, se vienen estudiando nuevas tecnologías que cumplan con los requerimientos propios de las nuevas redes inalámbricas de sensores que hacen parte de entorno del internet de las cosas, una de las tecnologías que ha tomado mayor renombre en el medio, es la tecnología de comunicación LoRa.

2.3.1. Topologías de Comunicación Inalámbrica

Una red se define como un conjunto de dos o más dispositivos autónomos con la capacidad de interconectarse mediante un enlace de un medio físico. Un enlace no es otra cosa que el medio de comunicación físico que transfiere los datos de un dispositivo a otro. Si se entiende el enlace desde un punto de vista gráfico como una línea que une dos puntos, donde cada punto representa un dispositivo, se pueden clasificar las redes en varios tipos en función del tipo de conexión al enlace. Redes de difusión o multipunto: Cuando más de dos dispositivos comparten el mismo enlace. En este tipo de redes, es posible enviar un mismo mensaje desde un dispositivo al resto (broadcast) o a un conjunto de máquinas (multicast).

Redes punto a punto: Cuando dos dispositivos tienen un enlace directo entre ellos. La conexión de más dispositivos implica el uso de múltiples enlaces punto a punto entre pares de dispositivos. En este caso un mensaje puede tener que visitar multitud de máquinas hasta llegar a su destino. [11]

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2.4. TECNOLOGIA DE COMUNICACIÓN LoRa

La tecnología LoRa (Low Range) es una tecnología inalámbrica desarrollada y patentada por la corporación Semtech. Emplea espectros de frecuencia de uso público sin licencia ISM (como los utilizados por Bluetooth y WiFi) de banda estrecha (entre 300 y 3.400 hercios) siendo esta una de sus principales ventajas, utiliza una modulación de espectro ensanchado en la banda menor al GHz lo que permite rangos largos de cobertura mayores a 10 kilómetros, tiene alta capacidad de nodos (hasta 1 millon de nodos), es una comunicación robusta y ofrece capacidad de localización. LoRa es una tecnología inalámbrica desarrollada para crear las redes de área amplia con baja potencia, requeridas para aplicaciones de maquina a máquina (M2M) e Internet de las cosas (IoT). La tecnología ofrece una mezcla muy convincente de largo alcance, bajo consumo de energía y transmisión.

Figura 4. Estructura básica de la comunicación LoRa. [10]

Su intención es establecer una red de dispositivos conectados los cuales establecerán un enlace inalámbrico con un elemento más potente capaz de comunicarse con todos estos elementos de manera gestionada. Este elemento recibe el nombre de Gateway. A su vez, este gateway será capaz de comunicarse por otro método de red, con mayor ancho de banda y transmitir toda la información de estos dispositivos a aquellos elementos que la soliciten.

2.4.1. Protocolo de comunicación LoRaWAN

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Se presenta típicamente en una tecnología de estrella en la que los gateways son un puente transparente que retransmite mensajes entre los dispositivos finales y un servidor de red central. Los gateways se conectan al servidor a través de conexiones IP mientras que los dispositivos finales utilizan comunicación de un salto a uno o varios gateways. Todas las comunicaciones a los puntos finales son generalmente bidireccionales, pero también son compatibles con la operación de multidifusión que permite la actualización de software sobre el aire u otros mensajes de distribución en masa para reducir el tiempo de comunicación.

La comunicación entre dispositivos finales y gateways se extiende en diferentes canales de frecuencia y tasa de datos. La selección de la velocidad de datos es una compensación entre el intervalo de comunicación y la duración del mensaje. Debido a la tecnología de espectro extendido, las comunicaciones con diferentes tasas de datos no interfieren entre sí y crean un conjunto de canales "virtuales" que aumentan la capacidad del gateway. Las tasa de datos de LoRaWAN™ oscilan entre 0.3 kbps y 50 kbps. Para maximizar la duración de la batería de los dispositivos finales y la capacidad total de la red, el servidor de red LoRaWAN™ gestiona la tasa de datos y la salida de RF para cada dispositivo final individualmente mediante un esquema de velocidad de datos adaptativa (ADR). En general la tecnología LPWAN trabaja bien en situaciones donde los dispositivos necesitan enviar pocos datos sobre un área amplia. Esto distingue LPWAN de otros protocolos de redes inalámbricos como Bluetooth, RFID, M2M celular y ZigBee. [14]

2.4.2. Clasificación de dispositivos LoRa

El protocolo de comunicación LoRaWAN ha definido una división, 3 clases de dispositivos diseñados para distintas aplicaciones las cuales se describen a continuación:

2.4.2.1. Clase A

Los dispositivos Lora de clase A permiten una comunicación bidireccional, se limitan a que solo pueden recibir datos si ha enviado antes un paquete. Este tipo de dispositivo será el de menor consumo y servirá para aplicaciones en las que los dispositivos no deban recibir datos habitualmente.

2.4.2.2. Clase B

Los dispositivos de clase B tienen como característica la capacidad de recibir datos sin necesidad de enviar paquetes, así de esta forma la aplicación correspondiente podrá enviar datos de forma programada. El mejor ejemplo ocurre cuando en una red tipo estrella conformada por más dispositivos Lora, el Gateway envía Beacons periódicamente para sincronizarse y negociar tiempos de recepción de paquetes desde el Gateway al dispositivo. El consumo de energía será mayor que los de clase A debido a la recepción periódica de Beacons ordenada por el Gateway.

2.4.2.3. Clase C

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2.4.3. Seguridad de LoRaWAN

LoRaWAN incluye seguridad en dos niveles: encriptación de paquetes a nivel de red y a nivel de aplicación. De esta forma se protege la red de dispositivos maliciosos (primer nivel) y con el segundo nivel se protegen los datos de aplicación, de forma que los servidores de red no pueden leer los datos de cada aplicación. Para los dos niveles se usa AES con claves de 128 bits de longitud basadas en distintos identificadores del dispositivo, aplicación y red.

2.4.4. Tecnología LoRa para sistemas IoT y M2M

Proveedores de soluciones para sistemas de Internet de las Cosas (IoT) y Máquina a Máquina (M2M) que incluyen Actility, Cisco, IBM y un grupo de operadores de telecomunicaciones que comprenden Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom se han unido para formar una alianza para IoT/M2M llamada LoRa Alliance. La Alianza tiene como objetivo impulsar el éxito global del protocolo LoRa ™ (LoRaWAN ™).

Figura 5. Alianza Internacional LoRa. [16]

Los futuros miembros de alianza incluyenEolane, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech, Microchip Technology y FastNet (Sudáfrica).La tecnología LoRaWAN se considera adecuada para las aplicaciones de IoT y M2M, ya que se extiende mucho más allá de la tecnología celular, a menudo opera en pequeños dispositivos del tipo de sensores que pueden funcionar durante meses alimentado con una pequeña batería.

2.5 DESARROLLOS ACTUALES

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El propósito de este trabajo fue el desarrollo de una simulación medio ambiente para la agricultura de regadío utilizando WSN tecnologías, permitiendo a los usuarios detectar regiones en un terreno en el que el nivel de humedad está por debajo del límite establecido. Para la arquitectura de este proyecto se implementaron tecnologías como TinyOS, TOSSIM, Python y Pygame. [17]

2.5.1. División del proceso con parámetros

• Nodo Sink: nodo responsable de obtener los datos enviados por el nodo fuente y transmitirlos a la aplicación Python.

• Nivel de estado y la humedad: consulta directa a la fuente de los nodos lo que pasa en su radio de cobertura. Un mensaje con el estado de la humedad y la zona detectada para que se muestra al usuario. El mensaje puede ser "Bajo Humedad", para los niveles inferiores al 30%; "Normal Humedad ", para los niveles de entre 30% y 70% y "Alta Humedad", para niveles superiores a 70%.

• Riego: cada vez que el nivel de humedad de un campo llegue a bajos niveles de humedad, este dispositivo es activado y permanece en este estado mientras que se necesita para esa zona para la utilización del sistema comienza a partir de la red del simulador TOSSIM. Una imagen Tossim es creada por la aplicación Python.

Como resultado de esta investigación, se puede observar cómo es posible integrar tecnologías como TinyOS, TOSSIM y Python. Esto permite el desarrollo de una robusta aplicación en el área Wireless Sensor Network, cómodo, amigable y completamente integrado con las tecnologías de WSN, entorno a la simulación. Este entorno hace posible para verificar el comportamiento de los sensores antes de fenómenos físicos, incluso con interferencias y ruidos. Su ventaja principal es aliviar la visualización de los datos por un determinado público que tiene poco habilidades computacionales. [18]

2.5.2. Desarrollo de un sistema WSN para la agricultura de precisión

Se implementa una red WSN en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica del Instituto Nacional de Tecnología de Karnataka, Surathkal, India el cual tiene en cuenta los siguientes parámetros. Un enfoque sistemático fue considerado para el diseño global del proyecto y dos parámetros fueron controlados. Los de la temperatura y la humedad eran los parámetros a ser supervisados por la granja de la agricultura en india. El nodo está diseñado para el aumento de la duración de la batería y los soportes de la tecnología ZigBee. [19]

2.5.3. Orange despliega una red para el internet de las cosas

(23)

Orange para el plan estratégico Essentials2020, quiere convertirse en el operador de referencia del Internet de las cosas, su trabajo consiste em desplegar una red a nivel nacional dedicada a los objetos que necesitan conectividad de banda estrecha y de bajo consumo de energía. Se planea tener desarrollada esta red a partir de primer trimestre del 2016. A través de su start up Datavenue, Orange está empezando a contactar a empresas en ámbitos diversos como empresas de seguros, salud y transporte para que empiecen a entender cómo utilizar sus datos y el IoT.

2.5.4. APROXIMACIONES ACADEMICAS

Para el año 2011 Wang Qing hui, Bian Li juan, Pang Yu jun, presenta el proyecto: Design of the temperature monitoring system based on ZigBee wireless sensor network, en esta propuesta se pretende generar un monitoreo por medio de la recolección de datos gracias a un módulo de transmisión inalámbrica, para implementar en invernaderos, en donde se resumen algunos pasos en el comportamiento de todo el proceso para poder establecer el monitoreo de los datos de

temperatura deseados [21].

Nandakumar, R, Lalmohan, K.S, Sreejeesh, S.G, presentan el proyecto desarrollado en la India titulado: Design of Trickle Irrigation Control Unit Using PSoC donde se pretende automatizar los sistemas de riego para dar soluciones a problemas de sequía y así tener un mejor rendimiento en los cultivos haciendo referencia o hincapié a sistemas de siembra por hileras donde estos cultivos requieren ciertas cantidades de humedad constantes para mantener las plantas en su mejor

(24)

CAPITULO III. ESTRUCTURA Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

En este capítulo se ha desarrollado la descripción de los elementos fundamentales que conforman el sistema de riego implementado para este proyecto. Cada uno de los elementos cumple con diferentes funcionalidades para el óptimo desarrollo de la plataforma y se realizó una comparación entre las diferentes opciones del mercado para seleccionar la mejor se adapte. A continuación se despliegan las funciones en detalle los diferentes elementos seleccionados para la implementación del hardware y sus características más relevantes.

El prototipo descrito en este libro, tiene como propósito lograr un sistema que capaz de obtener datos y ejecutar procedimientos de manera inteligente, óptima y confiable, que permita la versatilidad de tareas por medio de un sistema modular el cual se adapta fácilmente a las necesidades de cada usuario, brindando soluciones dentro de un medio ambiente variable.

3.1. SISTEMA CENTRAL DE PROCESAMIENTO DE DATOS

El sistema central de procesamiento de datos (SCP) es pieza crucial en este proyecto ya que alberga el control de los elementos que conforman la plataforma, su trabajo es la ejecución de las tareas programadas dependiendo los parámetros establecidos o la situación actual que enfrente. En su estructura lógica obedece a realizar tareas solicitadas por el usuario por medio de una interface de comunicación de corto alcance conectada a un dispositivo móvil (Smartphone, Tablet o Computador portátil) que pueda acceder a la plataforma Web o también puede llegar a ser manipulado de forma automática por los parámetros establecidos con anterioridad desde la misma plataforma, para realizar mediciones o ejecutar acciones durante el día.

3.1.1. Microcontrolador

En general, las principales funciones del SCP son: recolección, procesamiento y almacenamiento de datos, así mismo como la transmisión de los mismos bien sea a otro módulo o a un dispositivo móvil. Todas estas funciones generalmente se realizan mediante un sistema que tiene como base un circuito integrado microcontrolador, el cual se encargara de llevar control de los elementos y administrar toda la información que se obtendrá en la plataforma.

(25)

Los microcontroladores de la familia MSP430F5x de Texas Instruments (TI) ofrecen bajo consumo de energía con un mayor rendimiento y un mayor número de opciones de diseño. Estos dispositivos de 16 bits cuentan con nuevos e innovadores periféricos integrados como USB en chip, además de altas velocidades de CPU y más memoria. Son procesadores de señal mixta basados en RISC que incluyen periféricos analógicos y digitales inteligentes y ofrecen una serie de opciones adicionales como USB y seguridad como el cifrado AES incorporados. Esta familia ofrece la solución definitiva para una amplia gama de aplicaciones de bajo consumo y portátiles, además de ser una de las pocas familias que maneja la nueva tecnología de memoria no volátil que permite una escritura rápida y de bajo consumo. [23] Entre la gran variedad de dispositivos en esta familia se decidió desarrollar nuestro sistema con el microcontrolador MSP430F5529, ver figura 6.

Figura 6. Microcontrolador MSP430F5529 package LOFP y asignación de pines. [24]

Entre las principales características de este microcontrolador MSP430F5529, ofrece buena capacidad de memoria flash y RAM, maneja múltiples protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C, asociación de datos infrarrojos “irDA”), controlador USB integrado. [25] A continuación, en la tabla 2, se describen algunas características eléctricas del microcontrolador.

Características Valor

Memoria RAM 8 KB

Memoria Flash 128KB

Puertos de Entrada y Salida 63

Registros 16 bits

I2C 2

SPI 4

UART 2

ADC 14 CH de 12 bits

Numero de Timers 4 de 16 bits

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Características Valor Voltaje de alimentación (Min –Max) 1.8- 3.6 V

Frecuencia de operación 25MHZ

Tabla 3. Especificaciones eléctricas microcontrolador Msp430f5529. Fuente: propia

3.1.2. Reloj de tiempo real RTC

El RTC es el dispositivo utilizado para suministrar la hora y fecha exacta con el fin de llevar un registro y control del sistema. Por medio de este dispositivo es posible llevar un registro de actividades durante los días puede ser de forma automática según la secuencia de horarios para el riego del cultivo y toma de datos los datos capturados de los sensores con hora y fecha, según se haya programado con anterioridad por parte del usuario a través de la aplicación Web o bien según los requerimientos en tiempo real del mismo. Cada actividad se identificara por medio de un registro del tipo de sensor o electroválvula accionada junto con la hora y fecha en la que se realiza de la medida o acción.

Figura 7. Reloj de Tiempo Real DS3132. [26]

Para la implementación del RTC se empleó el integrado DS3231de Maxim Integrated, el cual cuenta la posibilidad de obtener formato de hora (estándar o militar) y fecha. Dentro de sus características principales, la programación y lectura de datos se realiza por protocolo de comunicación I2C, fuente de alimentación de respaldo (batería de litio) lo que evita perdida de información. Internamente cuenta con unos espacios libres para almacenar datos, oscilador y cristal integrado lo que evita la interferencia, además permite programar dos alarmas y genera un pulso por un pin dedicado. [26]

Características Valor

Interfaz de comunicación Protocolo I2C

Voltaje de alimentación 2.3 – 5.5 V

Corriente de estado activo (3.3V) 200 µA

Frecuencia de trabajo 32.768Khz Quartz Crystal

(27)

3.2. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

La comunicación inalámbrica sirve de interfaz para la transferencia de datos entre dos terminales dentro de un área geográfica limitada por el alcance de transmisión. Por lo general las redes inalámbricas se clasifican en varias categorías dependiendo del área geográfica a la que el usuario se conecte, generalmente se clasifican como:

• Redes de área personal

• Redes de área local inalámbricas (WLAN)

• Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN) • Redes de área extendida inalámbricas (WWAN)

Figura 8. Ilustración de las categorías de redes inalámbricas. [27]

La conexión inalámbrica de los nodos que conformaran la red de sensores, tiene como fin conectar los dispositivos finales (sensores y/o actuadores) con un módulo de central el cual toma toda esta información y la envía al servidor por medio de la aplicación Web. A continuación se documenta el proceso para la selección del tipo de comunicaciones que se han implementado en el proyecto y las características de las mismas.

3.2.1. Comparación de tecnologías de corto alcance

Para este proyecto se estableció para la comunicación entre el hardware y el dispositivo que aloja la aplicación web una red inalámbrica tipo PAN (Personal Area Network). Estas redes normalmente son de uso personal debido a que la transferencia de datos entre dispositivos no es mayor a 10 metros. Actualmente existen diversas tecnologías que permiten su desarrollo, entre las más conocidas se encuentran la tecnología de Bluetooth y tecnologías Infrarrojo, las cuales son comúnmente usadas para una conexión de corto alcance entre dos dispositivos electrónicos.

(28)

Bluetooth Infrarrojo Transmisión -Ondas de Radio (2.4 GigaHertz)

-Bajo consumo de energía

-Infrarrojo

-Bajo consumo de energía Alcance -Hasta 13 metros de distancia

alrededor del dispositivo transmisor, permitiendo obstáculos, no es necesario alinearse.

-Hasta 4 metros sin perder línea de vista y sin obstáculos

Velocidad de transmisión

-1 Megabit/Seg hasta 3Megabit/Seg -115 Kilobit/Seg hasta 14 Megabits/Seg Ventajas -Tecnología ampliamente usada en

equipos móviles de reciente producción.

-Crea redes inalámbricas entre dispositivos.

-Alta seguridad: los dispositivos deben ser apuntados directamente para comunicarse.

Circuitería simple

Desventajas -Velocidad de transmisión lenta para archivos pesados.

-Gasto de energía cuando está en modo visible.

- transferencia de archivos inadecuados.

-Se bloquea la transmisión con interferencias como personas, objetos, etc.

-Sensibilidad a la luz y el clima. -Corto alcance

Tabla 5. Tabla comparativa de tecnologías inalámbricas de corto alcance. Fuente: propia

3.2.2. Protocolo de comunicación Bluetooth

Acorde al funcionamiento y versatilidad de la tecnología inalámbrica Bluetooth, se designó como tecnología a implementar dentro del sistema de riego. Realizando un análisis de las tareas a realizar dentro del sistema de riego, la velocidad de transmisión del Bluetooth es la necesaria para los paquetes de información que se implementan en este proyecto.

El alcance en conectividad con otro dispositivo cumple con la determinación de la red PAN que se necesita. Esta tecnología se encuentra a la vanguardia con los dispositivos de última comercialización [16] (Celulares, Tablets, PC.)

3.2.2.1. Módulos comerciales de Bluetooth

(29)

Versión Características

Bluetooth V1.1 -Usa el estándar IEEE 802.15.1 – 20022

-canales no encriptados añadidos y soportados

Bluetooth V1.2 -Compatible con USB 1.1

-Mejora velocidad de conexión y trasferencia -Mejoras en la calidad de audio.

-Host controller interface(HCI)

Bluetooth V2.0 + EDR Incorpora EDR (Enhanced Date Rate)

Transferencia de datos 3Mb/s

Bluetooth V2.1 +EDR SSP (Secure Simple pairing), mejor seguridad

de transferencia de datos.

Ahorro de energía oler subrating

Bluetooth V 3.0 + HS Velocidad de transmisión de datos hasta 24Mb/s Implementa Wifi paraTx y Rx de grandes paquetes. Con estándar 802.11

Bluetooth V 4.0 Velocidad de emisión y transferencia de datos

de 32Mb/s.

Se incluye en los más avanzados Smartphones. Tabla 6.Tipos de versiones de Bluetooth de los últimos años. Fuente: propia

Módulo RN41 y RN42 (Compatible versión 2.1) Características principales:

- Voltaje de operación 3V a 6 V

- Consumo de energía: 26uA en modo inactivo, 3 mA en conexión establecida y 30 mA hasta 50 mA transmitiendo.

- Máxima distancia de transmisión : 20 metros (RN42) y 100 metros(RN41) - Puerto UART local y USB

Módulo de Bluetooth HC-05 y HC-06 (Compatible versión 2.0+ EDR) Características principales:

- Modulo Maestro esclavo, recibe y transmite hacia otros dispositivos. - Trabaja con comandos AT

- Voltaje de operación 3.3V a 5.0 V

- Máxima distancia de transmisión : 5 a 10 metros

- Consumo de energía: 20uA en modo inactivo, 3 mA en conexión establecida y 40 mA transmitiendo.

3.2.2.2. Especificaciones Módulo HC05

(30)

3.2.2.2.1. Características de Hardware • Sensibilidad Típica: -80 dBm

• Hasta +4dBm de potencia de transmisión RF

• Fully Qualified Bluetooth V2.0 + modulación EDR 3Mbps • Bajo consumo

• PIO control

• Interfaz UART con velocidad de modulación en baudios programable. • Antena PCB integrada

3.2.2.2.2. Características de Software

• Velocidad en baudios : 38400, bits de datos: 8, Bit de parada: 1, Sin paridad

• Tasa de velocidad de modulación en baudios soportadas: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800.

• Por defecto el código de PINCODE es : 1234

• Reconexión automática en 30 minutos cuando se desconecta como consecuencia de pérdida de conexión por salirse el rango de alcance.

3.2.3. Comparación de tecnologías de largo alcance

A continuación, se ha realizado la comparación entre las tecnologías que se vienen implementando actualmente en las aplicaciones de las redes inalámbricas de sensores desarrolladas en los últimos años y se resume en la tabla 7, esto con el fin de poder identificar las fortalezas y debilidades de cada una de acuerdo a los requisitos que se tienen para este proyecto.

LoRa Zigbee WiFi

Rango 10 m- 15 km en área rural

5km en zona urbana 10-100m 20 – 100m

Tasa de datos 0.3 - 50 kbps. 20-250 kbps 1 – 54 Mbps

Frecuencia 915/868/430 Mhz 868 y 902-928 Mhz, 2.4 Ghz 2400-2484 MHz

No. Dispositivos Millones 2 a 65000 256

Topología de red Estrella Árbol, estrella, malla Estrella

Consumo en

(31)

3.2.4. Protocolos de comunicación LoRa

El protocolo de comunicación LoRa consiste en la conexión de un gran número de nodos conectados en una red estrella a un nodo principal o Gateway el cual enviara los datos a la red de una forma transparente, esta es la configuración recomendada para una red que trabaja bajo este protocolo, sin embargo en este prototipo realizamos una comunicación punto a punto únicamente.

Se estableció un sistema inalámbrico de comunicación para la transmisión de datos de cada módulo de sensores y actuadores. Logrando la interacción de dos módulos catalogados como TX (Gateway) y RX (Esclavo), esta comunicación de radio frecuencia a 433Mhz y 915Mhz se logró a través de los módulos LoRa. El resultado respecto a su alcance de transmisión y ahorro de energía fue el apropiado para realizar las pruebas y estipular como mejor alternativa para la aplicación en el prototipo.

3.2.4.1. Módulos comerciales

Para la implementación del proyecto se ha decido trabajar con los módulos RFM96W de HopeRF y los módulos RN2903 de Microchip, con los cuales se puede implementar comunicación bajo el reciente protocolo de comunicación LoRa , este nuevo paradigma para las redes viene enfocada directamente a las aplicaciones del internet de las cosas (IoT), ya que busca interconectar muchos locutores con una baja tasa de transmisión, pero que en cambio ofrece a este campo comunicaciones de largo alcance y bajo consumo con lo cual los dispositivos finales que se alimentan normalmente a partir de baterías que puedan durar un largo tiempo en funcionamiento antes de que sea necesario un cambio de las mismas.

(32)

Figura 9. Módulos de comunicación LoRa SX1276 (izq.) [29], RF96W (centro) [30] y RN2903 (der.)[31]

3.2.4.2. Especificaciones Módulo RN2903

El módulo RN2903 es una solución de baja potencia para la transmisión inalámbrica de datos a largo alcance, cumple con las especificaciones del protocolo de clase A de LoRaWAN. Integra comunicación RF, un controlador de banda base y un procesador de interfaz de programación de aplicaciones (API), haciendo del módulo una solución completa de largo alcance.

Figura 10. Diagrama de bloques RN2903. [32]

El módulo RN2903 cuenta con 47 pines en total, 14 están destinados como pines de propósito general pueden utilizarse como entradas o salidas digitales o analógicas, 15 pines para la conexión de la alimentación del módulo y para asegurar la inmunidad de interferencia, un pin de reinicio del módulo, 4 pines para el control del módulo por medio de la comunicación serial y algunos pines reservados. [32]

Especificación Descripción

Banda de frecuencia 902.0 a 928.0 MHz Métodos de modulación FSK, GFSK y LoRa®

Tasa de datos Máxima 300 kbps en FSK, 12500 LoRa®

Interfaz UART

Rango de operación Hasta 15 Km en área abierta y 5Km en área urbana Sensibilidad al 0.1% VER -146 dBm Ajustable

(33)

3.2.4.2.1. Especificaciones Eléctricas

Parámetro Min. Tip. Max Unidad

Voltaje de alimentación 2,1 -- 3,6 V

Voltaje sobre VDD -0,3 -- 3,9 V

Voltaje de entrada lógica bajo -- -- 0,15xVDD V

Voltaje de entrada lógica alto 0,8xVDD -- -- V

Nivel de entrada RF -- -- +10 dBm

Corriente en reposo a 3V -- 2,7 -- mA

Corriente RX a 3V -- 13,5 -- mA

Corriente TX a 3V -- 42 – 124 -- mA

Corriente ahorro de energía a 3V -- 0,002 -- mA

Tabla 9. Especificaciones eléctricas del módulo RN2903. Fuente: propia

3.2.4.2.2. Programación y comandos

Como ya se ha mencionado anteriormente el módulo RN2903 utiliza una interfaz de comando ASCII por medio del protocolo de comunicación serial, en esta sección hablaremos de las características de esta interfaz para contextualizar sobre el uso del módulo. En la Figura 11 podemos observar un ejemplo de conexión entre un dispositivo final y un Gateway. En el dispositivo final encontramos un microcontrolador que toma el valor del sensor y por medio de los comandos se envía dicho dato por medio de una red LoRa con el módulo RN2903, donde el dato es encriptado y se envía a uno o múltiples gateways que tendrán la conexión al servidor de red. También hace referencia al escenario de desarrollo en el cual se puede conectar el módulo por comunicación serial al computador, donde el usuario podrá escribir los comandos utilizando un programa de terminal. [33]

(34)

El módulo de tecnología LoRa soporta una variedad de comandos para su configuración utilizando una interfaz ASCII. En la figura 12, se describe la arquitectura del módulo RN2903 desde el punto de vista de la interfaz de comando, el módulo utiliza tres tipos de comando y cada tipo tiene acceso a diferentes funciones del módulo, a continuación se describen los grupos de comandos.

• Comandos de sistema <sys>

Emite acciones de comportamiento de nivel de sistema, reúne información de estado en la versión de firmware y hardware, o accede al módulo de usuario memoria EEPROM.

• Comandos <mac>

Emite protocolos de comunicación, acciones y configuraciones del protocolo LoRaWAN

• Comando de transceptor <radio>

Emite configuraciones específicas de radio, accediendo directamente y actualizando la configuración del transceptor.

Figura 12. Interfaz de comandos y relación con los componentes internos del RN2903. [33]

3.3. DESCRIPCIÓN DE SENSORES

En esta sección se realiza una breve descripción de algunos de los sensores que hacen parte del sistema de riego desarrollado, se identificas las características físicas y eléctricas más relevantes que se han de tener en el algoritmo desarrollado en el microcontrolador.

3.3.1. Sensor digital de temperatura

Para medir de la temperatura ambiente se tuvo como referencia el sensor DS18B20, un instrumento electrónico capaz de realizar lectura precisa de una temperatura en un ambiente determinado por medio de una técnica llamada RTD (Detector de temperatura de resistencia), esta consiste en detectar cambios de un resistor interno debido al cambio de temperatura. Características en tabla 10.

(35)

Características Escala

Rango de temperatura -55 a 125 °C

Resolución 9 a 12 bits

Interfaz 1 – wire

Precisión +/- 0.5°C(-10°C a + 85°C)

Tiempo de captura 750ms

Alimentación 3.0 V a 5.5 V

Tabla 10. Características principales del sensor de temperatura DS18B20. Fuente: propia.

3.3.2. Sensor analógico de humedad

Existe gran variedad para este tipo de sensor, los cuales difieren en la calidad en precisión de medida, material de construcción y diseño. La tendencia en cuanto al diseño que sigue siendo la preferida por muchos usuarios consiste en una estructura conformada por dos puntas gruesas en un extremo, que se encargan del procedimiento de medida, esto con el objetivo que sea fácil a la hora de insertar al terreno a medir. Se ha seleccionado el sensor SKU: SE01214, capaz de leer la humedad presente en el suelo. Utiliza dos sondas para pasar corriente a través del suelo, y luego lee la resistencia para obtener el nivel de humedad. Las características se pueden observar en la tabla 11.

Figura 14. Sensor de Humedad de Suelo SE01214. [35]

Características Escala

Voltaje de entrada 3.3 V - 5 V

Corriente 32mA

Dimensiones 60 x 20 x 5 mm

Cable de conexión 1

Tabla 11. Características principales del sensor de temperatura SE01214. Fuente: propia

(36)

3.3.3. Sensor digital de humedad y temperatura

Este sensor es uno de los más utilizados para la implementación de prototipos y realizar pruebas en campo abierto. Está compuesto por un sensor de humedad capacitivo y un termistor, también consta de un circuito integrado en el interior el cual realiza la conversión analógica a digital.

Figura 15. Sensores de temperatura y humedad digital DHT22. [37]

Características Escala

Tensión de funcionamiento 3.3 V a 5 V

Lectura de humedad +/- 5% de precisión

Lectura de temperatura +/- 2 °C de precisión

Cala de Humedad 0% al 100%

Escala Temperatura -40 °C a 125 °C

Tabla 12. Características principales del sensor de humedad y temperatura DHT22. Fuente: propia

3.3.4. Sensor de presión y temperatura BMP180

El sensor BMP180 es un sensor de presión absoluta o barométrica de alta precisión y bajo consumo que esta optimizado para aplicaciones de dispositivos móviles. El sensor es capaz de leer la presión absoluta (mBar) y la temperatura (°C) con lo cual podemos por medio de cálculos conocer la altura a nivel del mar en la zona. Utiliza el protocolo de comunicación I2C lo cual permite integrarlo fácilmente a un microcontrolador, por otro lado está basado en la tecnología piezo-resistiva para una alta precisión linealidad y estabilidad a largo plazo. [38]

Figura 16. Sensor de presión y temperatura BMP180 [39]

Características Escala

Tensión de funcionamiento 1.8 a 3.6 V

Consumo de corriente a diferentes modos 3 a 32 µA Precisión en lectura de presión +/- 2.0 hPa

Precisión en lectura de temperatura +/- 2 °C de precisión Resolución dato de salida 0.01 hPa y 0.1°C Tiempo de conversión a diferentes modos 3 a 51 ms

(37)

3.3.5. Sensor de luz ambiente BH1750

El BH1750 es un sensor digital de intensidad de luz ambiente de alta resolución, tiene un conversor ADC de 16 bits interno, es la versión mejorada del típico sensor LDR. Nos permite leer la cantidad de luz por metro cuadrado y se comporta de forma equiparable al ojo humano frente a la luz visible ante diferentes tipos de iluminación natural o artificial y baja influencia de radiación infrarroja. Se comunica por medio de la interfaz I2C lo que lo hace resistente a interferencias. [40]

Figura 17. Sensor de luz ambiente BH1750 [41]

Características Escala

Tensión de funcionamiento 2.4 a 3.6 V

Consumo de corriente 120 µA

Rango de medida 1- 65535 lx

Precisión en lectura +/- 20 %

Rango de temperatura de operación - 40 a 85 °C Tiempo de conversión a diferentes modos 120 a 180 ms

Tabla 14. Características principales del sensor de presión y temperatura BH1750. Fuente: propia

3.4. DISEÑO DE DRIVERS PARA LOS ACTUARES

En esta sección, damos a conocer los drivers generados para los módulos de actuadores que están diseñados con el propósito de controlar la apertura y cierre de las electroválvulas y que pueden o no ir conectados tanto al módulo central como al módulo remoto por medio de los pines digitales destinados para ello. En esta ocasión, se realizó el diseño para el control de electroválvulas tipo LATCH y tipo AC, los cuales se describen a continuación.

3.4.1. Electroválvulas Solenoides o tipo Latch de corriente continúa

(38)

Figura 18. Esquemático de la estructura de una electroválvula Solenoide. [42]

3.4.1.1. Especificaciones técnicas y eléctricas

Para la implementación del módulo de actuadores, se escogieron las electroválvulas tipo Latch, que trabajan con voltaje DC bajo un accionar dirigido por flancos o pulsos de corriente de subida o de bajada. Dentro de los modelos que presenta el fabricante Galcon, se trabajó con las electroválvulas sencillas de dos vías (Entrada - Salida).

El accionar de estas electroválvulas varía en el ancho del pulso como en la tensión máxima de entrada a la que se le pueda someter. Los voltajes oscilan en un rango en promedio de 6 voltios hasta 12 a 16 Voltios. El rango de presión de trabajo se encuentra de 0 a 10 Bar, dependiendo del fluido que se maneje y capacidad de canal en pulgadas a la que este diseñada.

Figura 19. Electroválvulas tipo Latch Galcon. [42]

En su estructura de material se compone de: - Cuerpo y tapa : Nylon reforzado - Piezas metálicas: Acero inoxidable - Diafragma: NBR(Buna-N)

(39)

3.4.1.2. Diseño del driver tipo Latch

En el diseño e implementación del driver de actuadores tipo latch, se diseñó una tarjeta que integra los elementos necesarios para el funcionamiento (activar/desactivar) de las electroválvulas. El elemento primordial es el circuito integrado L293D, el cual es un circuito que incorpora dos drivers denominados “Puentes de H”, internamente se compone de 4 compuertas las cuales permiten conformar dos puentes H con lo que se puede manejar dos cargas de corriente continua.

Figura 20. Diagrama detallado de circuito interno. [29]

Las salidas tienen un diseño que permiten el manejo de cargas inductivas como relés, Solenoides, motores de corriente continua y motores de paso a paso. La doble entrada de tensión esta otorgada a la gestión lógica a la que obedece desde un microcontrolador con niveles de voltaje TTL y a la alimentación correspondiente a la carga inductiva o resistiva que se implemente.

Figura 21. Circuito bidireccional de un motor. [30]

(40)

EN 1ª 2ª Función

1 0 1 Abra Válvula

1 1 0 Cierre válvula

X x x -

Tabla 15. Tabla lógica de manejo para electroválvulas. Fuente: propia

Para conexión entre el puente H y las electroválvulas se diseña una etapa de amplificación llamada push-pull, con el objetivo no solo suministrar corriente hacia la carga sino también proteger al circuito del manejo de potencia de las contracorrientes de la carga inductiva (electroválvula). En total se construyen 4 Push-Pull equivalentes a las cuatro salidas del driver para conectar 2 electroválvulas.

Figura 22. Esquemático driver actuadores tipo LATCH

N° Descripción del componente Referencia

1 Driver L293D

4 Transistores NPN MMBT3904

4 Transistores PNP MMBT3906

2 Borneras MPN – W237

7 Regletas de conexión Placa CI Macho

Tabla 16. Componentes del driver de actuadores tipo LATCH. Fuente: propia

3.4.2. Electroválvulas de corriente alterna

Este tipo de electroválvulas son dispositivos solenoides capaces de cambiar la energía eléctrica a mecánica. Al igual que el modelo solenoide CC, utiliza un campo magnético creado por una corriente eléctrica. Al pasar esta corriente eléctrica a través de la bobina, se genera un campo electromagnético, el embolo fabricado de hierro o acero es atraído por la fuerza magnética hacia el centro de la bobina realizando una acción mecánica en la electroválvula.

3.4.1.1. Especificaciones técnicas y eléctricas

(41)

las electroválvulas tipo Latch, el inductor necesita permanecer con energía en su estado de activación para permitir el paso de fluido y no se cierre la válvula.

El consumo de energía juega un papel fundamental en el trabajo de estas electroválvulas CA, debido a que es constante la transferencia de energía para el funcionamiento de estas. Eléctricamente las válvulas AC dependen de una red eléctrica en el área donde se encuentren trabajando, no tienen autonomía a diferencia de la tipo Latch. Las especificaciones técnicas de las válvulas CA o CC son similares debido a que al ser solenoides trabajan bajo el mismo mecanismo ON/OFF.

3.4.1.2. Diseño del driver tipo AC

Para el diseño del driver actuador de corriente alterna, se tuvo que tener en cuenta el tipo de conexión y configuración de elementos para suministrar tensión alterna a las válvulas. Lo anterior debido a que las electroválvulas deben funcionar bajo parámetros lógicos 1/0 dirigidos desde el módulo de control. Este nivel de voltaje TTL que se estipula dentro del diseño del circuito, tendrá problemas con los niveles altos de voltaje de la fuente de alimentación. Por tal motivo la necesidad de crear una tierra virtual para lograr un aislamiento de tierras entre los niveles de voltaje TTL y los de potencia. En la implementación se utilizaron dispositivos electrónicos como opto acopladores tipo FotoTriac con el objetivo de lograr un aislamiento de tierras lógicas con las de potencia de circuito AC. Los niveles lógicos que integran al circuito de potencia oscilan de -5 a 5 voltios, dos pulsos de cruce por cero que abren los triac dejando pasar la corriente del transformador logrando activar las válvulas. Se puede observar el esquema eléctrico del driver en la figura 29 y sus componentes en la tabla 17.

Figura 23. Esquemático driver actuadores tipo AC

N° Descripción del componente Referencia

2 Moc D2007M

4 Triacs BT138

8 Resistencias ¼ W

4 Condensadores CO25-024x044

3 Regleta de conexión Placa CI macho

2 Borneras MPN – W237

(42)

CAPITULO IV: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

Para el desarrollo del prototipo del sistema de riego, se estructuro su funcionamiento en 5 tarjetas, las cuales cada una integra un diseño de hardware distinto debido a los dispositivos que las integran. De la misma manera el software o la programación de cada tarjeta está marcada por el mismo lenguaje de programación basado en C y herramienta de desarrollo llamada Code Composer Studio. La diferencia radica en su lógica de programación, debido a las diferentes tareas a desarrollar dentro del sistema de riego. A continuación, se despliega la información detallada de las tarjetas diseñadas para el sistema.

4.1. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO PLACA BASE

La tarjeta base, es la tarjeta principal de funcionamiento del sistema de riego, debido a que, en su estructura de diseño, se compone de la tarjeta madre o microcontrolador encargado de todas las operaciones lógicas que se deban realizar. Junto a este micro se encuentran más dispositivos que hacen parte de la configuración necesaria para su funcionamiento. Los dispositivos en su mayoría de superficie, se escogieron con el objetivo de realizar una placa reducida y de fácil portabilidad.

Figura 24. Tarjeta de circuito - Placa base

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