UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS E INGENIERÍA Cuerpo Académico en Sistemas Electrónicos Aplicados (CASEA)

P ROTOTIPO:

Nodo de largo alcance, CLH: Cluster-Head

Reporte técnico final

Proyecto

"Implementación de una red de sensores para zonas de cultivo de ostión en la Bahía Falsa, San Quintín, B. C."

Tijuana, B.C., México

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al 1 de octubre del 2014

CASEA : CA en Sistemas Electrónicos Aplicados

UABC - FCQI

2013-2014: Reporte PROTOTIPO Cluster-Head

Implementación de una red de sensores para zonas de cultivo de ostión en la Bahía Flasa, San Quintín, B.C.

Contenido Resumen ......................................................................................................................................... 3 Introducción .................................................................................................................................... 3 Descripción general ........................................................................................................................ 4 Sensores de temperatura y humedad relativa. .............................................................................. 6 Sensores de presión atmosférica. ................................................................................................... 7 Salinidad a partir de la medida de conductividad .......................................................................... 9 Conclusiones ................................................................................................................................. 14 Referencias.................................................................................................................................... 15

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Nodo de largo alcance - "Cluster-Head" (CLH) Resumen Se presenta el informe técnico de la integración y operación del nodo inalámbrico con sensores conocido como "cluster-head" (CLH), se modificó su diseño y se hiceron mejoras en su construcción y encapsulamiento. Así mismo, a los CLH se les agregó sistemas de acondicionamiento de señales de sensores de nueva generación, los cuales se conectan directamente en la tablilla que fue diseñad. Así mismo, se desarrolló una tablilla mejorada de comunicaciones compuesta por dos radios: uno de corto a mediano alcance para comunciación local con nodos terminales (EP, end-points) de 2.4GHz, y otro radio de largo alcance de 900MHz para comunicarse con la estación base. Estos sistemas están particularmente hechos para el monitoreo de variables del hábitat marino de baja profundidad para el cultivo de ostión, en la Bahía Falsa de San Quintín, Baja California.

Introducción El nodo “Cluster Head” es un subsistema del proyecto “Nodos inalámbricos de sensores para monitoreo de hábitat marino” desarrollado por el cuerpo académico de SEA (Sistemas Electrónicos Aplicados) de la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de UABC. El objetivo del proyecto completo es desarrollar sistemas meteorológicos y de instrumentación marina , que sean inalámbricos, constituidos por nodos intermedios (conocidos como Cluster-Head, CLH) y nodos terminales (End-Points, EP), montados en boyas para medir condiciones ambientales marinas, tales como la temperatura del aire y del agua, humedad relativa del aire, presión atmosférica, pH y salinidad, con opción de medir la concentración de oxígeno disuelto en el agua del mar. En la Fig. 1 se muestra la arquitectura jerárquica de esta red de sensores. A continuación se presentan los objetivos específicos y posteriormente se desglosan las acciones para lograrlos.

Fig. 1. Red inalámbrica de sensores de dos niveles patra monitoreo marino.

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Objetivos específicos 

Hacer mejoramientos del diseño y construcción de CLH en cajas robustas resistentes a la radiación solar y a los efectos corrosivos del agua marina, así como brisa y lluvia.



Mejorar los accesorios y conectores para los sensores, que faciliten su conexión y mantenimiento. Así como aislar los sensores que serán sumergidos en el agua marina.



Re-diseñar la tablilla de circuito impreso (PCB, printed circuit board) de sensores del CLH (o Sensor Shield) con el fin de mejorar su rendimiento y agregar interfaces para conectar sensores de pH, salinidad y Oxígeno Disuelto (OD).

Descripción general Los CLH están construidos alrededor del micro-controlador ATMega dispuesto en una tablilla llamada TJuino (producto del Dr. Leocundo Aguilar PTC de la FCQI-UABC quién nos permitió usar dicho sistema basado en el hardware abierto del conocido ArduinoMega). Para poner en interfaz a los dos radios (de 2.4GHz de corto alcance y de 915MHz de largo alcance) diseñamos y fabricamos una tablilla prototipo de expansión de comunicaciones de frecuencia dual, ésta se empotra sobre un módulo ArduinoMega. El diseño del circuito impreso de la tablilla de comunicaciones se muestra en la figura 2. Por otro lado, para conectar los sensores locales del CLH, desarrollamos otra tablilla de expansión de acondicionamiento analógico y de interfaz digital, como se muestra en la Fig. 3, la cual se inserta en un ArduinoMega. El CLH completo se muestra en la figura 4.

Fig. 2. (a) Esquema del circuito impreso de la tablilla de comunicaciones del sistema CLH.

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Fig. 3. Esquema del circuito impreso de la tablilla de sensores del sistema CLH.

Fig. 4. Sistema CLH en la caja impermeable, con baterías, paneles solares y accesorios.

En la Fig. 4, se observa que el CLH se adecuó con un escudo solar para alojar los sensores de temperatura y humedad relativa del aire. Los escudos de radiación solar (solar radiation shields) son arreglos de platos o discos que se ensamblan con separadores, dentro de los cuales se incorporan los sensores atmosféricos con el fin de mitigar los efectos nocivos de la luz solar. En la Fig. 5 se presenta un arreglo de escudo solare que se elaboró para las boyas marinas, la superficie y color de tales escudos deben ser capaces de reflejar y bloquear la luz en el cercano infrarrojo, para mantener los sensores a temperatura ambiente El desarrollo de software se realizó con Arduino C++, en el ambiente Processing. En la figura 4 se muestra la interacción que puede tener el usuario con el CLH directamente conectado a una computadora, el monitor serie presenta información de los procesos de adquisición dr datos de los sensores, creación de mensajes pertinentes y su subsecuente envío por medios inalámbricos.

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Además de medir temperatura del aire y del agua, así como de la humedad relativa, otra ampliación importante del CLH fue la adecuación del sensor de presión atmosférica, el cual también se incluyó dentro del escudo solar. Del lado de los sensores marinos, además de temperatura y pH, ahora se cuenta con dos puertos para incorporar tablillas de acondicionamiento de señales de cualquiera de las dos variables: salinidad u oxígeno disuelto. Sensores de temperatura y humedad relativa. [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf 2012-10-02]

El sensor LM35, es un sensor de precisión de temperatura el cual esta calibrado para dar una lectura en grados Celsius. Tiene un factor de escala lineal de +10mV/ OC. Tiene la opción de rango de -55 OC a 150 OC. Opera de 4 hasta 30 Volts. Tiene una baja impedancia a la salida, 0.1 Ω para 1 mA de carga. Se utilizará la aplicación para operar entre 2 a 150 OC, esto se puede ver en la figura 5.

Fig. 5. Filtro pasivo de primer orden para "suavizar" respuesta del LM35.

Por otro lado, la serie de sensores de humedad relativa HIH la fabrica la empresa Honeywell. La entrada directa a un controlador o dispositivo de adquisición de datos es posible debido a la salida casi lineal del HIH4030 particular. Son dispositivos de muy bajo consumo de potencia para aplicaciones de instrumentación portátil. Sus características técnicas se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Características del HIH4030 Parámetro Interchangeability (first order curve) 0% RH to 59% RH 60% RH to 100% RH Accuracy (best fit straight line) Hysterisis Repeatability Settling time Response time (1/e in slow moving air) Voltage supply Current supply Operating humidity

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Mínimo

Típico

Máximo

Unidades

-5 -8 -3.5

– 3 ±0.5

5 8 +3.5

% HR % HR % HR % HR

70

mS S Vdc μA

4 – 0

5 – 200 –

5.8 500 100

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Las siguientes ecuaciones sirven para determinar la HR% a partir del voltaje que aporta el HIH4030. (1) (2) %

(3)

En la figura 6 se muestra la conexión a tres hilos que requiere el HIH4030.

Fig. 6. Conexión básica del HIH4030.

Sensores de presión atmosférica. En este trabajo, se incluyó al sensor de presión atmosférica MPX4115A, de Freescale. Sus características importantes se presentan en la Tabla 2 y su imagen con acondicionamiento se muestra en la Fig. 7. La ecuación (4) es la función de transferencia del MPX4115A de acuerdo a su ficha técnica. Tabla 2. Características del sensor de MPX4115A. Parámetro

Valor o rango

Unidades

Rango Corriente V a P min. Exactitud Presión en modo común

15 a 115 7 a 10 0.135 a 0.273 +/- 1.5 690

kPa mA Vdc % Vdc kPa

Fig. 7. Sensor de presión y acondicionamiento.

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Donde Vs es el voltaje de la fuente, 5V, P es la presión en kPa y V OUT es la salida del sensor. Despejando P de (1) se determina la ecuación (2). (2)

La altitud sobre el nivel del mar en metros se puede aproximar con la ecuación (3) a partir de la presión atmosférica promedio [8]. (3)

Dado lo anterior, a la presión de una atmósfera a nivel del mar (h = 0), equivalente a 101.325 kPa, o 1013.2 miliBars (mbar), se espera un voltaje de salida del MPX4115A de 4.084V. Para aumentar la precisión, se decidió acondicionar la salida del sensor usando el amplificador de instrumentación AD620 con ganancia G = 2 [9]. A la entrada V(-) se le conectó un voltaje de 3.3V equivalente a una referencia de presión mínima de 83.88kPa o de una altitud máxima de 1565m. Por lo que el sistema es capaz de medir a 1450m por debajo del nivel del mar, a una presión máxima de 120kPa con Vout = 5V, y una presión mínima hasta un poco más de 1.5Km de altitud sobre el mar si Vout = 3.3V. Esto se justifica al considerar que la boya marina operará exclusivamente sobre el océano y no por encima de alguna montaña o meseta elevada. Mediciones de pH

El pH Circuit, fabricado por Atlas Scientific, se muestra en la fig. 8, es un módulo compacto de monitoreo de pH, es un sistema completo que entrega por comunicación serie el valor digital del pH. La interacción con el pH Circuit se hace a través de 11 comandos sencillos.

Fig. 8. pH Circuit de Atlas-Scientific. • Rango completo de pH, de .01 a 14.00 • Precisión dentro de dos dígitos significativos (XX.XX) • Una sola lectura o lecturas continuas • Lecturas dependientes de temperatura o medidas independientes

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• Proporciona protocolo de calibración • Conectividad en comunicación serie (0-VCC) • Conjunto de instrucciones de 11 comandos • Micro footprint • LEDs de diagnóstico • Voltaje operacional de 2.5V a 5.5V • Consumo de baja potencia

En la fig. 9 se muestran pruebas de calibración usando un buffer de pH 7, antes y después del filtrado digital de la señal.

Figura 9. Medición del buffer pH 7 después del filtro IIR.

Salinidad a partir de la medida de conductividad La empresa Atlas-Scientific creó un Circuito Embebido capaz de obtener lecturas de E.C. (Conductividad Eléctrica), Salinidad del agua, y TDS (Total de Sólidos Disueltos). El Circuito de Conductividad está diseñado para lecturas contantes e intermitentes, en la figura 10 se muestra dicha tablilla. Después de calibrar, el Sensor de Conductividad puede estar inmerso en líquido por 12 meses, antes de volver a calibrar. Especificaciones: • Lecturas de conductividad de +/- 5 μs • Capacidad de Conductividad total de 11 μs hasta 92,000 μs • Lecturas dependientes o independientes de temperatura • TDS (Total de Sólidos Disueltos) con referencia a KCL • La Salinidad queda derivada de la Escala de Salinidad Práctica (PSS-78) • La salida de datos queda separada por una cadena de coma: μs,TDS,Salinidad

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• Modo de lectura única o lectura continua • Simple conexión Serial Asíncrona (voltaje de 0 - 5V) • Set de Instrucciones Sencillas • Operación de 5V • Dimensiones: 18.4 mm x 20.56 mm

Figura 10. Circuito de Conductividad de Atlas-Scientific La conexión del Circuito de Conductividad es sencillo de realizar. En la figura 11 se muestra el esquemático. [http://atlas-scientific.com/_files/instructions/ec_Wiringdiagram.pdf 2013-01-11]

Figura 11. Diagrama de cableado de Circuito de Conductividad

Algunas consideraciones para conectar el circuito de Conductividad:

• Asegurarse de tener una Tierra en Común para el Circuito y el Microcontrolador • TX en el Circuito de Conductividad se conecta a RX en el Microcontrolador • El shield del conector BNC, del sensor de conductividad, se conecta a cualquier tierra Tipo de Sensor de Conductividad (Probeta). Hay tres tipos de sensores de conductividad los cuales se pueden conectar al circuito de E.C. Cada sensor puede dar una alta resolución si es utilizado en el tipo correcto de agua, esto se muestra en la Tabla 3.

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Tabla 3. Rangos para cada tipo de sensor de conductividad Tipo de Sensor

Tipo de agua a ser analizada

Rango del sensor

K 0.1

Agua pura, Agua potable

11μs to 3,000 μs

k 1.0

Agua fresca o Agua dura

1,300 μs a 40,000 μs

K 10

Agua salada

36,000 μs a 92,000 μs

† En orden para ayudar al Ingeniero de Sistemas Embebidos a convertir micro-siemens a TDS, simplemente multiplique los micro-siemens por 0.54. Esto dará un estimado de TDS. † Se puede utilizar una solución de NaCl en Agua para obtener buffers de µs aproximados. De tal manera que a 1 mg de sal disuelto en 1 litro de Agua corresponde a 1 ppm. † He encontrado distintos constantes para conversión de µs a TDS, de las cuales destacan 0.5, 0.54 y 0.66.

Si se utiliza un sensor k 0.1 en agua dura o agua salada, el Circuito E.C. regresará “--” indicando que la lectura esta fuera de rango. De igual modo, si se utiliza un sensor con K 10 en agua potable con una conductividad de 100 μs se obtendrá una lectura de “0”; ya que el sensor no será capaz de detectar algo en el agua. En la Fig. 12 se muestra una prueba de 26 horas de salinidad en términos de total de sólidos disueltos lo cual es proporcional a la conductividad del agua.

Fig. 12. Prueba que midió los sólidos disueltos del agua marina durante 26 horas.

Concentración de oxígeno disuelto Hay dos tipos de sensores de oxígeno disuelto: los electroquímicos y los ópticos. Los electrodos electroquímicos disponen de una celda que guarda una solución electrolítica, esta cambia su potencial con la presencia de oxígeno disuelto, que cruza una membrana que la separa del agua

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que se mide. Esta celda-electrolítica convierte energía química a energía eléctrica al haber transferencia de moléculas de oxígeno disueltas en el agua y la solución electrolítica que contiene. En cambio, el sensor óptico se basa en luminiscencia, su respuesta es rápida pero su costo supera por mucho a los electrodos electroquímicos. Hay dos maneras de expresar la cantidad de OD: (1) en % de saturación, que representa una forma relativa de cuantificar al OD en agua, o (2) en mg/L, que representa la forma absoluta de hacer la medición. El oxígeno disuelto (OD) en agua depende de la temperatura y la cantidad de sales disueltas. Algunos valores comunes de saturación de oxígeno en agua dulce y marina con un contenido de 20.9 % de oxígeno bajo una presión de 760 mm de Hg a 25 oC son: 8.2mg/L (agua dulce) y 6.5mg/L (agua marina). Dado que el objetivo de este trabajo es usar tecnología al alcance de un presupuesto modesto, se opta por emplear sensores electroquímicos para medir la concentración de oxígeno disuelto, y por lo mismo su tiempo de respuesta debe considerarse al activar el sistema para poder obtener una medición confiable. Por lo que en esta ampliación, se usa un electrodo electroquímico y tablilla de acondicionamiento con salida digital, capaz de medir la concentración de oxígeno disuelto (COD) en el agua fabricados por Atlas Scientific (AS). Este conjunto de componentes se presenta en la figura 13 y sus especificaciones se muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Circuito V3 Atlas Scientific de COD. Características Rango de 0 a 20mg/L de COD Exactitud de dos cifras (XX.XX mg/L) Lecturas independientes o dependientes de T. Selección de agua blanda, agua dura y agua marina. Lecturas independientes o dependientes de conductividad. Calibración en un punto en 5 segundos . Voltajes de alimentación: 2.5V a 5.5V. Soporta cinco tasas de transferencia serie. Juego de instrucciones de 10 comandos.

Fig. 13. Sensor de COD y tablilla de acondicionamiento.

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El proceso de calibrar al sistema de medición de COD, requiere sólo un punto de referencia, esto se hace extrayendo al electrodo del agua, lo que causa que el electrodo se sature al 100% con el oxígeno que hay en el aire a nivel del mar. Por otro lado, para asegurar la sensibilidad del electrodo a la ausencia de oxígeno, éste se sumerge en una solución de sulfato de sodio, con lo cual el sistema debe registrar un valor menor o igual al 10% de saturación de oxígeno o menos de 1 mg/L de COD. En la fig. 14 se muestra una prueba de calibración del circuito de COD

Fig. 14. Pruebas de medición oxígeno disuelto.

Pruebas del CLH a bordo de una boya marina Parte de las últimas adecuaciones hechas al CLH fue la construcción de una estructura para hospedar la electrónica y la batería, con soportes para los paneles solares. La boya experimental de fabricación propia la probamos inicialmente en el lago del Parque de la Amistad, ubicado en Otay, Tijuana. B.C., ésta se muestra en la figura 15.

Fig. 15. Boya experimental que porta un CLH, prueba de concepto.

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En la figuras siguientes se muestran resultados de varios días de pruebas del monitoreo de algunas variables ambientales.

Fig. 16. Temperatura del aire registrado por el CLH.

Fig. 17. Respuesta del sensor de temperatura del agua marina registrado por un EP recibidos por al CLH.

Conclusiones Los CLH son los nodos de mayor importancia en la red inalámbrica de sensores, pues estos transfieren datos a la estación base, por lo que son los primeros nodos que deben implementarse en campo para empezar a recolectar datos del hábitat marino. Sus capacidades de comunicación en frecuencia dual los hace flexibles como sistemas de comunicación de corto y de mediano alcance. Las variables que puede medir un CLH son: temperatura del aire, humedad relativa del aire, temperatura de agua, presión atmosférica, salinidad (conductividad) del agua, pH y oxígeno disuelto. En las comunicaciones, el alcance es de 5Km, con opción de hasta 15Km con antena de mayor ganancia, distancia sobrada para transferir datos de cualquier parte de la Bahía Falsa hasta la estación base ubicada en la instalaciones de los producotres del ostión, de San Quintín, B.C..

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Referencias [1]Arduino C++. http://arduino.cc/blog/category/languages/c-languages/. 2011 [2] Arduino ATMega. http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560. 2011 [3] Digi Corp. XBee®/XBee-PRO®OEM RF Modules. Product Manual v1.xCx - 802.15.4 Protocol. 2010 [3]. AC4490 Long Range transceiver. AC4490 Users Manual Ver. 3.2.1. 2009 http://lairdtech.thomasnet.com/item/910mhz-modules/ac4490-transceivers/ac-4490-1000m [4] --. Low voltage temperature sensors TMP35/TMP36/TMP37. Data Sheet. Analog Devices, 2010. [5] JavaScript Object Notation. JSON standard official syntax. http://www.json.org/ [5] –. HIH series humidity sensor. Honeywell. 2009. [6] Analog Devices. AD620 Instrumentation Amplifier technical data sheet. 1999. [7] Riskin, J. A User´s Guide to IC Instrumentation Amplifiers. Analog devices, 1978. [8] F. Greg Shinskey. “Process Control Systems: Application, design and Tunning”. 4th Edition. McGraw/Hill. 1996.

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