Red SIPIA. Primer Prototipo Experimental Tec. Matías Aguirre, GridTICs

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Red SIPIA

Primer Prototipo Experimental Tec. Matías Aguirre, GridTICs

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Contenido

 Introducción

 Necesidades del campo  Contexto geográfico

 Contexto ambiental

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Que es Red SIPIA

Interdisciplinario Agronomía Electrónica Sistemas Desafíos Hardware Software Ambientales Humano

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Motivación y oportunidad

 ¿se puede dar uso práctico a las WSN en

Argentina?

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Contenido

 Introducción

 Necesidades del campo

 Contexto geográfico  Contexto ambiental

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Microclima

MENOR T°

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Problemas tecnológicos

Dos sensores comerciales expuestos a las mismas condiciones

Salida típica de un datalogger

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Requisitos de software

 Salida numérica

 Acceso en tiempo real por web  Etiquetado

 Intervalo de medición configurable  Alarmas

Operaciones

Opciones gráficas

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Requisitos de hardware

 Inalámbrico  Capacidad de almacenamiento  Abrigo térmico  Exactitud mínima de 0,5 °C  Fácil mantenimiento  Larga duración

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Contenido

 Introducción

 Necesidades del campo

 Contexto geográfico

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Contexto geográfico

La geografía no es tanto problema..

- Alcance del mote > 500m*

- Alcance del GWY - AP Wi-Fi

- > 200m * En condiciones atmosféricas y

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Contexto geográfico

La geografía no es tanto problema..

- Alcance del mote > 500m*

- Alcance del GWY - AP Wi-Fi - > 200m * En condiciones atmosféricas y energéticas ideales (¬.¬) WSN Gateway Servidor

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Contenido

 Introducción

 Contexto ambiental

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Factores ambientales

 Temperaturas extremas

◦ Tmax ≈ 50 ºC

 La respuesta de sondas inapropiadas es impredecible

 Rango del sensor elegido: -40 ºC hasta +125 ºC

 Las baterías se descargan con mayor rapidez.

◦ Tmin ≈ -20 ºC

 Las baterías no responden como deben, riesgo de bajos voltajes.

 Un voltaje demasiado bajo puede afectar la medición.

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Factores ambientales

 Exposición a Humedad

◦ Lluvia, granizo, nieve, niebla, rocío.

 Disminución del alcance inalámbrico

 Radiación solar

◦ Se debe proteger la sonda de temperatura para

disminuir los errores en la medición. (Abrigo térmico)

 Factores Humanos

 Riego, poda

 Robo de los motes

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Contenido

 Introducción

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Contenido

SDI-12

Servidor Gateway Mote COORD Mote Esclavo

Sonda 1

Sonda 2

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Fuente: TD034 Measurement Specialties 2003

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SDI-12

 ASCII Serial Asincrónico

◦ 1200 baudios

◦ 7 bits + paridad

 Maestro – Esclavo  Bus Compartido

◦ Un conductor

◦ 62 sensores como máximo

 Direcciones de 1 byte

 Comandos de control y configuración  Formato de respuesta especificado

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SDI-12 Modificado

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Sonda de temperatura

 Función: Transformar la energía térmica

en bytes.

 Tipo de sensor: Integrado de Silicio  Exactitud : ±0.5ºC

 Parámetro de salida: Tensión  Interfaz: Digital

 Bus SDI-12 Modificado.

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Sondas de temperatura

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Abrigo térmico

◦ Radiación solar directa

◦ Radiación reflejada (desde el suelo)

◦ Viento y agua

Fuente: Low-cost Shielding to Minimize Radiation Errors of Temperature Sensors in the Field, Tarara & Hoheisel, HortScience Vol.42, 2007

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Contenido

SDI-12

Protocolo propio Sobre 802.15.4

Sonda 1

Sonda 2

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Motes “RFD” y FFD

Mote COORD Mote Esclavo

Mote Esclavo Mote Esclavo

Motes Esclavo

• Alimentados con baterías • Duty cycle: 5min.

• bajo consumo, • wake up, • procesar comandos, • Sensar • enviar datos. Mote Coordinador

• Tiene alimentación permanente. • Administración de la red

• Asociar • Configurar • Sincronizar • Topología Estrella

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Sincronismo

• Sincronismo por demanda • Tick = Interrupción RTC • Intervalo configurable • Error = F(int, temp, Vdd)

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Data Request

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Contenido

SDI-12 Protocolo propio

Sobre 802.15.4

Sonda 1

Sonda 2

Sonda n

Protocolo propio GWY sobre TCP

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Gateway

 Función principal: Puente entre WSN e Internet

◦ Encapsulamiento de datos WSN en una trama TCP

◦ Comunicación de comandos desde Internet hacia la red de sensores.

 Función secundaria: Almacenamiento de datos

◦ Posible falla de conexión entre el Gateway y el Servidor

◦ Almacena hasta 1Mb (paquetes) en una memoria intermedia no volátil.

 Aprox. 1000 muestras

 Requerimiento: Robustez mecánica

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Gateway

• Comunicación Servidor-Gateway sobre TCP • Conexión Gateway-Mote COORD sobre SERIE

Servidor Gateway Mote COORD

Registra motes y sensores presentes en la BD

Envía info sobre la inicialización de la red

Envía fecha y hora actual Actualiza el reloj de la red

Guarda en la BD los datos Envía datos tomados

por los sensores

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Módulos del servidor

Arquitectura de Servidor Seguridad Reportes Administración Gateway Base de Datos TCP hacia GWY

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Ventajas de software

 Datos accesibles desde Internet

◦ Móvil (Celular, Wifi, Wimax)

 Datos accesibles en el momento en que llegan al servidor

◦ No hace falta ir al campo a recoger datos

 Posibilidad de procesar los datos en el servidor

◦ Media, mediana, máximos, mínimos, tendencias

 Posibilidad de realizar calibraciones en el servidor

◦ Corregir posibles derivas por envejecimiento

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Ventajas WSN

 Escalabilidad: la red puede expandirse simplemente agregando motes.

 Los datos no se pierden por siniestros.

◦ En el caso eventual, el software advierte la “falla” de un mote.

 Bajo costo vs. Tecnologías dataloggers tradicionales

◦ Bajo consumo energético

 Incremento de la resolución espacial

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Costos aproximados

• _{Nodo campo: 43} U$D • Mote: 40 U$D • Caja: 3 U$D • _{Gateway: 113 U$D} • Modulo: 70 U$D • Coord: 40 U$D • Caja: 3 U$D • _{Sonda: 4.25 U$D} • uC: 3.50 U$D • Sensor: 0.75 U$D TOTAL: U$D 198.5 $ 794 • Acceso a la LAN

• Access Point WiFi • Boca Ethernet • Modem GPRS • Servidor WEB • PC modesta • Virtualización • Abrigo térmico comercial: 60 U$D

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Vida de las baterías

 Es función de:

◦ La capacidad de baterías utilizadas

◦ Tipo de batería

◦ La frecuencia de re-sincronización

◦ La frecuencia de muestreo de datos

◦ La cantidad de sondas afectadas

 El uso del Bus SDI

◦ Definición de “vida de las baterías”

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Vida de las baterías

 Entonces ¿Cuánto duran?

◦ Estimaciones

◦ Mediciones

◦ Aproximaciones

◦ Margen de seguridad de 20%

 1.18 años usando 2 celdas E92 de ion de

litio, muestreando cada 5min y sincronizando cada 10min.

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Gracias

Ing. Gustavo Mercado Ing. Borgo

Ing. Gisela Ortiz Ing. Pablo Farreras

Sebastián Tromer German Tabacchi

Gabriel Antón

Guillermo Grünwaldt Cristian Panella

Ing. Ana Diedrichs Ing. Francisco Gonzalez

Ing. Jorge Robles Ignacio Rigoni Nicolás Ledezma

Juan Pablo Martí Fernando Chamorro

Matias Aguirre Rodrigo Moreno