Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica

MINI-RED PARA LA ALERTA TEMPRANA ANTE LA OCURRENCIA DE INCENDIOS FORESTALES

Trabajo de titulación para optar al título de Ingeniero Civil Electrónico

PROFESOR PATROCINANTE: Sr. Néstor Fierro Morineaud

JOAQUÍN IGNACIO GONZÁLEZ THIEME VALDIVIA - 2014

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AGRADECIMIENTOS A mi familia que, pese a que a veces veamos las cosas de distinta manera, siempre han estado ahí para mí, apoyándome tanto en mi desarrollo profesional y como personal.

Al cuerpo docente y a los funcionarios de la Universidad Austral de Chile relacionados con mi carrera, Ingeniería Civil Electrónica, los que en su mayoría siempre tuvieron buena disposición para facilitar mi trabajo cada vez que se los solicité, ya sea dándome apoyo moral o entregándome las herramientas que me ayudaron a ser mejor profesional.

Agradezco también a quienes, por gran tiempo, fueron mi equipo de trabajo durante estos años: Aldo, Aníbal, Cristóbal, Felipe y Franz. Sin duda, su presencia, colaboración, buena disposición, alegría y entrega hizo más fáciles de llevar los momentos complicados durante este largo camino. Indudablemente, sin el mercado negro de Aldo, las amigas de Aníbal, las frases de Cristóbal, la ansiedad post-prueba de Franz y los “porque tú nunca” de Felipe, (entre tantas otras cosas), estos años no habrían sido lo mismo.

Por último, doy gracias a los AIESECos, personas que le dan vida a una organización que le hace muy bien a este mundo y que despertó ese potencial dormido dentro de mí, el cual me permitió llegar hasta donde estoy ahora.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN………………………………………………………………………………. 6 ABSTRACT……………………………………………………………………………. 7

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………… 8 1.1. Problemática y justificación……………………………………………………………… 8 1.2. Objetivos……………………………………………………………………………………. 8 1.3. Alcances del trabajo………………………………………………………………………. 9

CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………….11 2.1. Teoría del fuego……………………………………………………………………………. 11 2.2. Concepto de incendio forestal…………………………………………………………… 12 2.3. Relevancia de los incendios forestales en Chile………………………………………. 14 2.4. Medidas de prevención de los incendios forestales en Chile……………………….. 15 2.5. Grado de peligro de un incendio forestal en Chile……………………………………. 16 2.6. Sistemas de detección para el combate de los incendios forestales en Chile……

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2.7. Factores claves para los sistemas de detección de incendios forestales………...

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2.8. Sistemas de medición basados en sensores………………………………………

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2.9. Conceptos básicos sobre redes de sensores inalámbricas…………………………

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CAPITULO 3. ESTADO DEL ARTE…………………………………………………. 25 3.1. Fire watch…………………………………………………………………………………… 25 3.2. Integra Wild Fire……………………………………………………………………………. 27 3.3. Detección utilizando imágenes satelitales……………………………………………… 29 3.4. Proyecto VERSI……………………………………………………………………………. 31

CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL SISTEMA……………………………………………… 34 4.1. Consideraciones previas al diseño……………………………………………………… 34 4.2. Diagrama de bloques……………………………………………………………………… 35 4.3. Componentes a utilizar: función y descripción………………………………………… 36

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4.4 Síntesis sobre el funcionamiento general del sistema diseñado……………………. 48 4.5. Costos de diseño………………………………………………………………………….. 50

CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE LA MINI-RED DE SENSORES………… 52 5.1. Adquisición de componentes……………………………………………………………. 52 5.2. Pruebas……………………………………………………………………………………... 53 5.3. Implementación del sistema……………………………………………………………… 58 5.4. Síntesis de los resultados obtenidos…………………………………………………… 69 5.5. Proyección de los costos para la implementación del sistema…………………….

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CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES…………………………………………………….. 73

REFERENCIAS………………………………………………………………………… 75 ANEXO 1. CÓDIGOS DEL ARDUINO EN LOS NODOS DE CAMPO…………. 78 ANEXO 2. CÓDIGO ARDUINO CON SHIELD GSM………………………………. 83 ANEXO 3. CODIGOS DEL SOFTWARE DE VISUAL BASIC……………………. 85

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RESUMEN El presente trabajo habla sobre el desarrollo del prototipo de un sistema de detección temprana de incendios forestales, específicamente, trata sobre la implementación de una mini-red de sensores inalámbricos para alertar cuando dichas emergencias acontezcan. Durante este proceso se estuvo en contacto con entidades como CONAF y se realizó una recopilación bibliográfica en la web para comprender la situación actual de esta problemática en Chile, así como también se revisaron otras soluciones tecnológicas ya existentes en el mundo. Tras el diseño y la implementación de este sistema, se obtuvieron como principales resultados y conclusiones el hecho de que los nodos sensores pueden estar en el bosque a poco menos de 1 kilómetro de distancia de la central de monitoreo, además, en cosa de minutos y vía SMS, pueden dar la alerta cuando en un punto se detecten valores anormales de temperatura, humedad o hayan cambios importantes en la concentración de dióxido de carbono. Se concluyó también que el prototipo desarrollado posee una serie de mejoras, lo que puede ser visto como una oportunidad para realizar futuros trabajos.

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ABSTRACT The following work talks about the development of a system for the early detection of wildfires, specifically, this work is about the deployment of a little WSN in order to alert when this emergencies happen. During this process, we were in contact with related entities such as CONAF and we did a bibliographic research to understand the current situation of this issue in Chile; also, others technological solutions that already exist in the rest of the world were checked. After the design and the deployment of this system, we got as main conclusions and results the fact that all the motes can be in the forest 1 kilometer far away from the monitoring center; also, in a couple of minutes and via SMS, the system can turn on the alarm when there are abnormal values of temperature, relative humidity or important changes in the concentration of carbon dioxide. We also concluded that the developed prototype has a lot of improvements to do, which is seen as an opportunity to start new works related with the issue.

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Antes de comenzar a hablar en concreto sobre el trabajo realizado, primeramente es necesaria una revisión de la problemática que se intenta solucionar. De esta forma, se contará con un contexto que permita un mejor entendimiento de la situación que se está trabajando.

1.1. Problemática y justificación

Año a año, podemos observar como a través de la prensa se comienza a hablar del mismo tema a medida que empiezan a elevarse las temperaturas a lo largo de nuestro territorio. Es dicha época, cuando en nuestro país suceden una seguidilla de peligrosos incendios forestales, los cuales incluso llegan a tomar días en ser controlados. Situaciones de este tipo son muy comunes en la zona centro y zona sur de nuestro país, sobretodo entre los meses de noviembre y marzo. Considerando lo anterior, hallar un modo de prevenir o controlar lo más rápido posible este tipo de emergencias se hace necesario, debido al costo económico, ambiental y social que conllevan estas catástrofes. Un incidente de este tipo puede traer como consecuencias importantes para nuestra sociedad, tales como la destrucción de ecosistemas a causa del fuego, el humo contamina el aire de las ciudades, se ve afectada la vida de los pobladores en zonas rurales y, además, las empresas forestales pierden considerables sumas de dinero a causa de este problema. Estos, son solo algunos ejemplos del daño que, fenómenos de este tipo, dejan a su paso.

1.2. Objetivos

Por todo lo ya expuesto, se considera prudente el presente trabajo, el cual busca alcanzar lo siguiente.

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Objetivo general 

Elaborar el prototipo de un sistema escalable que permita alertar a quien corresponda ante el eventual inicio de un incendio forestal.

Objetivos específicos 

Diseñar, construir e instalar la mini-red.



Situar los dispositivos de campo a, al menos, 50 metros uno de otro.



Monitorear las variables medidas por la mini-red de sensores.



Alertar a quien corresponda, a través de una llamada telefónica o algún otro sistema.

1.3. Alcances del trabajo

Para el presente trabajo, se dispone la ejecución de cuatro grandes etapas. La primera, corresponde a una recopilación de información en cuanto a la situación actual de los incendios forestales en Chile, la tecnología que se utiliza para detectarlos y que tipo de dispositivos electrónicos existen actualmente en el mercado para combatir este tipo de emergencias. Posteriormente, se procedió a realizar toda la etapa de diseño de la mini-red, considerando diferentes componentes, los precios de los mismos, las características del terreno y otras consideraciones pertinentes. Después vinieron las pruebas de laboratorio donde se calibraron sensores, se ensamblaron componentes, se observó como funcionaban ciertos dispositivos y se modificaban partes del sistema. Finalmente, se pasó a la implementación en terreno, la cual corresponde a la última etapa de este proyecto y que permitió observar los resultados del trabajo realizado, junto con obtener las conclusiones finales. Es importante señalar que este proyecto no pretende ser la solución final para esta problemática. Lo que se busca desarrollar es solamente un prototipo de un sistema de alerta de incendios forestales, por lo que sus alcances se limitan a ser el primer paso

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de cara al largo camino por recorrer hasta llegar a un sistema que pueda ser comercializado. Tras la creación de este prototipo de mini-red se espera que posteriores trabajos puedan continuar con el desarrollo de una solución tecnológica, utilizando la electrónica, que les permita ser un aporte en la tarea de facilitar el combate de este tipo de catástrofes.

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CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Desarrollar un dispositivo tecnológico, sin tener claros algunos conceptos básicos y sin tomar en cuenta la realidad que nos rodea, es una apuesta arriesgada e incluso puede resultar imprudente. Por esta razón se consideró importante, primero, realizar una recopilación de información relacionada con la problemática. Esto, a modo de contextualizar la situación y poder diseñar un sistema que satisfaga y se adapte a las necesidades reales de aquellos que están involucrados con el combate de incendios forestales. Para esto, se realizó una entrevista con personal de la Corporación Nacional Forestal (CONAF) especializado en el manejo del fuego; además, se buscó información en algunos libros y en diversos sitos de Internet sobre los incendios, la situación forestal de Chile y algunos conceptos básicos sobre redes de sensores.

2.1. Teoría del fuego

El fuego se puede definir como una reacción química continua con generación de luz y calor, en que se combinan agentes reductores (combustibles) con agentes oxidantes (comburentes) en presencia de calor. Para que se produzca la combustión todos ellos deben presentarse simultáneamente y estar en las cantidades adecuadas. En la figura 1 podemos ver el triángulo y el tetraedro del fuego.

Figura 1. Izquierda: Triángulo del fuego. Derecha: Tetraedro del fuego.

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La combustión con llama es producida por la generación de gases obtenidos tras la oxidación de combustibles sólidos y/o líquidos. Por otro lado, en la combustión sin llama, la reacción en cadena está inhibida (ya sea de forma natural o por la aplicación de algún medio de extinción), lo que da origen al fuego incandescente. Como ya se mencionó, los componentes básicos del fuego son el combustible, el comburente y la energía de activación. El combustible es la sustancia que se quema (que se oxida), que es susceptible a arder. Por su lado, el comburente corresponde al elemento que oxida rápidamente al combustible, que generalmente es el oxígeno presente en la atmósfera. La energía de activación, en tanto, suele ser el calor [1].

2.2. Concepto de incendio forestal

Según la CONAF, un incendio forestal se define como un fuego que, cualquiera sea su origen y con peligro o daño a las personas, la propiedad o el ambiente, se propaga sin control en terrenos rurales, a través de vegetación leñosa, arbustiva o herbácea, viva o muerta [2]. Cuando se percibe el inicio de un incendio forestal, por medio de los sistemas de detección que indicaremos más adelante, se envía la información a una central donde se administran los recursos disponibles para ir a combatir la emergencia. Resulta importante señalar que casi la totalidad de estos fenómenos ocurren a causa de la directa acción humana, ya sea por descuidos o negligencias en el uso del fuego cerca de lugares con vegetación combustible, por prácticas agrícolas, por una escaza cultura ambiental, o bien por diversas motivaciones, incluso la de cometer delitos. Como se mencionó anteriormente, en general, los materiales inflamables arden en presencia de oxígeno y de una fuente calor. En los incendios forestales el combustible que tiene capacidad de inflamarse es la vegetación. Dicha vegetación está compuesta básicamente por celulosa, hemicelulosa y lignina, compuestos orgánicos formados por cadenas de Carbono (C) con Oxígeno (O) e Hidrógeno (H), también llamados polímeros. La combustión con llama de esta vegetación se puede expresar químicamente mediante la ecuación 1.

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(CHO)  O  calor  H O  CO  Energía n 2 2 2

(1)

Si bien la ecuación 1 es una simplificación tanto de la formulación orgánica de los polímeros como de la reacción en sí, sirve para poner de manifiesto los elementos fundamentales que rigen la termoquímica aplicada a los materiales vegetales, el ya mencionado triángulo del fuego (Ver figura 2), ya que hacen falta estos tres elementos para generar la combustión con llama.

Figura 2. Triangulo del fuego para el caso forestal.

Se sabe que el combustible forestal posee grandes cantidades de agua que se evapora y se une a la mezcla de gases durante el proceso. También poseen pequeñas cantidades de aceites esenciales que se evaporan muy fácilmente al aparecer la fuente de calor y que, sin embargo, su baja temperatura de inflamación suele ser responsable, en realidad, de generar la ignición. En las fases previas del incendio, la combustión es incompleta y por tanto se genera monóxido de carbono (CO) en lugar de dióxido de carbono. Incluso en la fase de llama no todo el vegetal se quema simultáneamente con lo que aunque el gas predominante sea el CO2, en realidad siempre existe emisión de CO [3].

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2.3. Relevancia de los incendios forestales en Chile

De acuerdo a la CONAF, la problemática de los incendios forestales es extremadamente relevante para ellos. Tanto es así que su prevención, detección y combate puede llegar a involucrar a diversos actores sociales e instituciones tales como los Cuerpos de Bomberos, la Oficina Nacional de Emergencia (ONEMI), las Brigadas Forestales del Ejército y de la Armada (BRIFE y BRIFAR, respectivamente), además de la propia CONAF junto con su personal. Según nos señaló el personal entrevistado, los presupuestos para el combate de incendios forestales se han duplicado en el último año, lo que muestra la importancia que tiene para el estado de Chile este tipo de situaciones. El problema no solo atañe a la vegetación que se destruye a causa del fuego; sino que también la fauna, el suelo, la calidad del aire, el ciclo de agua, incluso la vida del ser humano son factores que se ven afectados con estas situaciones. En Chile, se inician entre 5.000 a 7000 incendios forestales al año (ver figura 3) los que dejan una serie de daños tanto económicos, como ambientales y sociales. Estos suelen ocurrir entre los meses de octubre y marzo, puesto que las condiciones ambientales tales como la carencia de lluvias y la mayor temperatura son propicias para que, sumadas a la mala manipulación del fuego por parte del ser humano, produzcan este tipo de incidentes.

Figura 3. Número de incendios forestales en Chile, por región. Verde: Incendios en el periodo 2013-2014. Amarillo: incendios en el periodo 2012-2013. Rojo: promedio de los últimos 5 años.

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La superficie afectada en cada período de incendios forestales promedia las 52.000 hectáreas quemadas (ver figura 4), pero con valores extremos que han ido desde 10.000 y 101.000 hectáreas. El mayor daño corresponde a praderas y matorrales. En menor escala arbolado natural y plantaciones forestales, principalmente de pino insigne. Unos pocos incendios de magnitud en Chile alcanzan superficies entre mil a diez mil hectáreas quemadas, a veces más, concentran los recursos de combate, concitan la preocupación nacional y, en conjunto, representan el 60% de la superficie afectada en el país. De todos modos, su número es de sólo un 0,6 a 0,9 % del total de eventos registrados, aunque su impacto es más significativo. Sin embargo, a pesar de estos incendios forestales de magnitud, es relevante destacar que el 90% de los incendios combatidos por CONAF es detectado y extinguido con una superficie igual o menor de 5 hectáreas [4].

Figura 4. Superficie afectada por incendios forestales en Chile, por región. Verde: Incendios en el periodo 2013-2014. Amarillo: incendios en el periodo 2012-2013. Rojo: promedio de los últimos 5 años.

2.4. Medidas de prevención de los incendios forestales en Chile

Las principales medidas de prevención de los incendios forestales se centran en la educación, teniendo como foco los niños. Para ello, CONAF trabaja la educación ambiental y campañas de difusión a través de medios masivos, las cuales se orientan a modificar la conducta de la población haciéndole ver que los incendios forestales son dañinos.

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También, otras medidas para la prevención son las acciones impositivas que buscan cambios en la conducta obligando al cumplimiento de la normativa legal. Para esto se divulga su existencia, se coordina la implementación y se realiza la fiscalización por parte de las instituciones responsables.

2.5. Grado de peligro de un incendio forestal en Chile Si bien las palabras “riesgo” y “peligro” pueden ser consideradas como sinónimos, en la jerga forestal, se habla de dos cosas diferentes. Por un lado, el “riesgo de incendios forestales” se relaciona con el hecho de que tan probable es que la población, dependiendo de su presencia y conducta,

inicie un incendio forestal.

Mientras que, el “peligro de incendios forestales” tiene que ver con las condiciones ambientales que permitirán el inicio o propagación del fuego ocasionado por alguien. Por ejemplo, una reunión de pirómanos en un bosque un día húmedo conlleva un alto riesgo, pero un bajo peligro de incendios forestales. Principalmente, se monitorea el grado de peligro de incendios forestales; es decir, para una zona determinada se evalúan las variables climáticas y del terreno. Se entiende por grado de peligro la combinación de factores ambientales, fijos y variables, que determinan la probabilidad de inicio incendios forestales y el posterior comportamiento del fuego [5]. Entre los factores fijos, que no cambian o que lo hacen muy lentamente, están la topografía

y algunas características de la vegetación (la

cantidad, el tamaño de vegetación y las especies vegetales presentes). Entre los factores variables, están el tiempo atmosférico y el contenido de humedad de la vegetación. En un día lluvioso el grado de peligro será mínimo, cero. En cambio, con alta temperatura del aire, baja humedad relativa y fuerte viento el grado de peligro será extremo. Concretamente, se creó el Índice de grado de peligro (IGP) que lo mide y lo expresa en categorías de bajo, medio o extremo. La ecuación 2 corresponde a la expresión matemática del IGP, mostrándose a continuación.

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Y  17,7  1,17T  0,44HR  0,35VV  18,7FF  0,27FS

(2)

Donde Y es la probabilidad de ocurrencia diaria (de 0 a 100 porciento); T es la temperatura del aire (en grados Celsius); HR corresponde a la humedad relativa del aire (en porcentaje); VV representa la velocidad del viento (en nudos); FF es un factor de estacionalidad de la vegetación (va de 1 a 3 y se obtiene por tabla); FS es un factor de sequedad (va de 0,5 a 70 y se obtiene por tabla). Los usos del IGP van desde su difusión por los medios para que las personas tomen las precauciones necesarias al manipular el fuego en zonas de vegetación; pasando por su utilidad para que CONAF tenga preparados sus recursos de combate del fuego para una rápida respuesta; así como también para suspender quemas controladas ya programadas si es que las condiciones meteorológicas no son adecuadas.

2.6. Sistemas de detección para el combate de los incendios forestales en Chile

Luego de iniciado un incendio forestal, su descubrimiento inicia una serie de acciones que culminan con el combate al fuego. Se entiende por detección al conjunto de recursos, procedimientos y actividades para descubrir, localizar y reportar en el menor tiempo un incendio a la Central de Coordinación Regional (CECOR), a fin de que ésta decida el despacho de los recursos necesarios [6]. La detección debe ser rápida, con un mínimo de tiempo transcurrido desde el inicio del fuego. Además, debe aportar la mayor cantidad de información acerca de las características del incendio y del sector en el cual se propaga, para facilitar las decisiones de despacho de recursos en la Central de Coordinación. No resulta muy difícil darse cuenta de que una detección oportuna, tiene consecuencias operacionales y económicas, dado que mientras más rápido se descubre un incendio, más exitoso será el combate y menor el daño producido.

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Actualmente, existen aplicados en Chile cuatro tipos de sistemas de detección de incendios forestales: detección terrestre móvil, detección terrestre fija, detección aérea y detección con sistemas de cámaras.

2.6.1. Detección terrestre móvil

La detección terrestre móvil corresponde al desplazamiento de vigilantes en un área determinada, ya sea a bordo de un medio de transporte o a pie. En Chile se utiliza mucho en predios, especialmente en el caso de empresas forestales, donde además permite supervisar las faenas. Este tipo de sistema entrega información completa sobre el incendio a la vista y posibilita un rápido primer ataque al fuego; sin embargo, la observación no es continua, ya que durante el recorrido pasará un cierto tiempo para volver a pasar y vigilar un mismo sector.

Figura 5. Ilustraciones de la detección terrestre móvil.

2.6.2. Detección terrestre fija

En segundo lugar, tenemos la detección terrestre fija que es la metodología más usada en el país. Se basa simplemente en la visión de un observador desde torres de 15 a 30 m de altura, las cuales se construyen en cerros desde los cuales se vigila el área en un radio estimado en 20 km o más, usando prismáticos. Una vez que el observado detecta una columna de humo, se recopila la información necesaria sobre las características del fuego y del terreno, la que se transmite por radio a la CENCOR.

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La ventaja de este sistema es que la observación en el área es permanente, casi ininterrumpida y la comunicación por radiotransmisor es fácil y estable. Por otro lado, la desventaja está en que no todo el terreno está a la vista, habrá puntos ciegos que retardarán la detección hasta que el humo sea visible por sobre el terreno.

Figura 6. Torre para la detección terrestre fija.

2.6.3. Detección aérea

Otro método de detección es la que se hace por vía aérea. Esta consiste en aviones tripulados por dos personas (el piloto y el observador) para detectar incendios desde el aire. Esta técnica permite observar una gran cantidad de superficie en un corto tiempo y entrega una gran cantidad de información acerca del incendio descubierto y sobre el cual se vuela. Sin embargo, el costo de operación es alto comparado con los otros sistemas.

2.6.4. Detección por cámaras

En cuarto lugar, tenemos la detección por cámaras. En algunos sectores de la novena región, se utilizan cámaras de televisión que transmiten su señal por microondas hasta las pantallas de un puesto de mando, donde su personal analiza la situación según la visión en pantalla. Las cámaras pueden estar instaladas sobre torres

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ubicadas en la cumbre de un cerro, barriendo el área en 360°, o bien instaladas en el exterior de aviones e, incluso, en aviones no tripulados. En Chile su uso es reducido.

2.7. Factores claves para los sistemas de detección de incendios forestales en Chile

Según un instructivo de la CONAF, uno de los principales factores claves de éxito en el combate de los incendios forestales lo constituye el diseño del sistema de detección. Hablando en términos generales, se entiende que el sistema debe maximizar su cobertura sobre el área a proteger, tomando en consideración los factores limitantes del territorio como la relación costo beneficio del proyecto. Para lograr esto, debe configurarse una mezcla de sistemas que permitan una cobertura suficiente que logre una detección lo mas rápida posible, que permita obtener la mayor cantidad de información útil acerca de las características del fuego, sobre el lugar y sobre la vegetación en la cual se propaga; además de entregar la información a la CENCOR de manera oportuna. De igual forma, la infraestructura y equipamiento son relevantes, especialmente en los sistemas de detección terrestre fija. Se deben considerar detalles técnicos, las condiciones para el operador (seguridad laboral, comodidad y cubrimiento de servicios básicos)

y

los

elementos

necesarios

para

la

implementación

básica

(radiocomunicaciones, prismáticos, alidadas, brújulas, cartografía). Por otro lado, la capacitación y entrenamiento del personal respecto al proceso de detección deben ser tomados en cuenta. Los operadores de los distintos sistemas de detección, deben ser conocedores del territorio, utilizar e interpretar cartografía básica y conocer del comportamiento del fuego, además de transmitir a la CENCOR la información de forma rápida, clara y veraz. Además, se debe recordar que no se puede gestionar lo que no se puede medir, por tanto, la implementación de un sistema de control de gestión también es clave para el logro de los objetivos del método de detección, como también para medir sus niveles de eficiencia [7].

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Por último, en el mismo documento se señalan algunas consideraciones para la detección terrestre fija, dado que es el método más utilizado en el país. Entre esta se pueden mencionar que las revisiones deben ser sistemáticas, se debe identificar el foco (lugar) del incendio de manera precisa, clasificar el humo (tamaño, forma, color), debe tener visibilidad entre 5 a 35 kilómetros (en general se utiliza 20 km), que la cobertura se realice las 24 horas del día y que existan protocolos claros sobre que hacer al momento de este tipo de emergencias, así como que también haya un manual sobre el funcionamiento y/o mantenimiento que el sistema de detección requiera.

2.8. Sistemas de medición basados en sensores

Un sistema es una combinación de elementos, subsistemas o partes necesarias para realizar una o más funciones. La labor de un sistema de medición es asignar un valor numérico a una propiedad de un objeto o evento con el fin de describirlo de manera objetiva (independiente del observador)

y empírica (basada en un

experimento). Las relaciones entre las cantidades deben ser las mismas que las relaciones entre las propiedades descritas, por ejemplo, si un determinado objeto tiene una propiedad más grande que la misma propiedad en otro objeto, entonces el resultado numérico tras la medición debe ser mayor en el primero objeto comparado con el segundo. Los objetivos de realizar una medición pueden ser variados, por ejemplo, el monitoreo de un proceso (medir la temperatura ambiente) o el control de un proceso (controlar el nivel de agua de un tanque). La figura 7 muestra las funciones y el flujo de datos de un sistema de medición y control. En general, además de la adquisición de información realizada por el sensor, una medición requiere procesar esa información y que el resultado sea presentado de forma perceptible por los sentidos humanos. Cualquiera de las funciones del diagrama de la figura 7 pueden ser locales o remotas, pero las funciones remotas requerirán la transmisión de información. El primer elemento de un sistema de medición es el que mide la magnitud de interés y suele ser un transductor. Este convierte la energía de una forma física en otra

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forma distinta. También se le denomina sensor, debido a la capacidad que ofrece de percibir, tras el procesamiento oportuno, fenómenos que de otra forma serían inaccesibles a nuestros sentidos. Sensor y transductor son a veces considerados sinónimos, sin embargo, sensor sugiere la extensión de nuestra capacidad para adquirir información sobre parámetros físico no percibidos por los sentidos humanos. Por otro lado, transductor implica que el parámetro de entrada y salida no son el mismo. Un sensor puede no ser un transductor [8].

Figura 7 Funciones y fuljo de datos en un sistema de medición y control.

Otra consideración sobre este tema es que los sensores pueden ser diseñados para cualquier cantidad no eléctrica, solo es cosa de seleccionar el material adecuado. Cualquier variación de un parámetro no eléctrico implica una variación en un parámetro eléctrico, esto debido a la configuración electrónica de los átomos que componen la materia.

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2.9. Conceptos básicos sobre redes de sensores inalámbricas

Una Red de Sensores Inalámbricas, en inglés Wireless Sensors Network (WSN), es un conjunto de elementos autónomos (nodos), interconectados de manera inalámbrica, que colaboran con el objetivo de resolver una tarea en común. En lo que se refiere a los elementos de una WSN, en primer lugar, se encuentran los sensores. Estos toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas. Luego están los nodos, que contienen varios sensores y su función es tomar los datos del sensor y enviar la información a la estación base. Por otra parte, tenemos las gateway, que son elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos (por ejemplo, TCP/IP). Finalmente, tenemos la estación base que es el recolector de datos basado en un computador común o en un sistema embebido. En la figura 8 se muestra los elementos que conforman un nodo, mientras que en la figura 9 se aprecia la arquitectura de una WSN.

Figura 8 Elementos que conforman un nodo sensor típico.

Las WSN se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables (topología dinámica), pudiendo un nodo convertirse en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Esta permite formar redes ad-hoc sin infraestructura física prestablecida ni administración central. Además, poseen un bajo consumo de energía (La máxima energía consumida en un sensor se produce en

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la comunicación de datos (Tx/Rx); tienen un bajo costo; los nodos son de un tamaño reducido; pueden operar varios meses o años sin mantenimiento; se pueden usar como herramientas para percibir información en entornos reales y tomar decisiones. Por otro lado, las WSN tienen capacidades limitadas de procesamiento, memoria y comunicación inalámbrica entre ellos. Además, poseen importantes limitaciones en cuanto al consumo energético, ya que generalmente están alimentadas mediante baterías. Otras desventajas de las WSN es que, para ahorrar energía, pasan por periodos de no operación (latencia); también, los elementos de campo se encuentran expuestos a ataques físicos [9].

Figura 9. Arquitectura básica de una WSN. Los rectángulos negros representan los sensores unidos a los nodos (círculos) que están en diferentes colores según su rol en la red (Rojo: coordinador. Amarillo: enrutador. Verde: nodo final).

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CAPITULO 3. ESTADO DEL ARTE Ya se han explicado los conceptos básicos que envuelven a la problemática que rodea a este trabajo. Ahora, es momento de indicar los sistemas y dispositivos que se ofrecen actualmente en el mercado tecnológico. Como ya sabemos, nuestro objetivo tiene que ver con diseñar un sistema que alerte ante la presencia de incendios forestales, por lo que en esta sección se revisan algunos métodos que utilizan la electrónica para atacar la problemática. En otros países, ya se han diseñado e implementado este tipo de elementos, por lo que a continuación se muestran algunos de ellos.

3.1. Fire watch

La empresa IQ wireless ha creado Fire Watch (FW), un sistema terrestre, digital, de vigilancia remota capaz de observar áreas forestales amplias, pudiendo analizar y almacenar los datos recogidos (ver figura 10). FW es capaz de evaluar y clasificar los datos entrantes de múltiples maneras, conectado a una estación central. En el caso de la detección de un foco de incendio, el sistema envía automáticamente una alarma. Según el fabricante, FW fue probado satisfactoriamente y está instalado desde hace años en Alemania, los estados de Brandenburg, Mecklenburg-Western Pomerania, Saxony-Anhalt and Saxony [10]. El sistema consiste en cámaras instaladas sobre torres al interior del bosque, las que van tomando imágenes cada 6 minutos (ver figura 11). Tras procesar la imagen (zoom, filtros, contraste), si las cámaras detectan la presencia de una columna de humo, envían la imagen al computador situado en estación de control y dan una señal de alarma indicando la ubicación del evento (ver figura 11). Las cámaras se comunican vía radio (transmisión de banda ancha CDMA) o por teléfono (ISDN) y poseen una resolución de 1280x1024 pixeles (ver figura 12). Además, pueden detectar una nube de humo; a la luz del día, con un tamaño mínimo de 10x10 metros, a una distancia de 50

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kilómetros; en menos de 8 minutos. Por la noche, las cámaras también funcionan y les puede tomar hasta 16 minutos detectar el humo.

Figura 10. Ilustración de la red del sistema Fire Watch

Otras características que de FW son que puede ser alimentado de varias formas (solar, eólica, red eléctrica) y que monitorea un área de aproximadamente 700km² por cámara, pudiendo ser estas controladas desde la estación de control, la cual puede monitorear hasta 8 sensores [11].

Figura 11. Partes del sistema Fire Watch. Izquierda: Computador en la estación de control. Derecha: Cámara ubicada sobre una torre.

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Las desventajas de este sistema son que sigue siendo un sistema visual, al igual que las torres con guardabosques para la detección terrestre fija; además, requieren un operador que esté revisando constantemente. En general, no presentan mucha diferencia con los sistemas de detección convencionales.

Figura 12. Partes del sistema Fire Watch. Izquierda: 1. Cámara, 2. Protección contra rayos, 3. Computador industrial. Derecha: Sistema de RF, en campo, para la comunicación.

3.2. Integra Wild Fire

La empresa Integra, está desarrollando un producto para la detección de incendios, el cual se basa en el funcionamiento del ojo humano. El dispositivo consta de un emisor de luz infrarroja modulada apuntado hacia la línea del horizonte, el cual al impactar un objeto de tamaño similar a su longitud de onda (como una partícula de humo) se dispersa en todas direcciones. Parte de la luz dispersada llega a un detector, que es un sistema óptico en cuyo foco se coloca un sensor electrónico. Además, el sistema tiene una cámara que, después de que el sistema ha realizado una doble verificación, toma imágenes (fotos o un video corto). Los tres objetos están alineados y se aprecian en la figura 13, la cual muestra el dispositivo de campo.

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Entre otras características del sistema podemos mencionar que la fuente alimentación del sistema se sitúa debajo de la estructura, además se dispone de un panel solar con regulador electrónico y baterías. Por otro lado, cada unidad cubre más de 2800 hectáreas y puede realizar un barrido de 360 grados en menos de 3 minutos. Otro aspecto a mencionar es que Integra Wild Fire cuenta con un software de detección que analiza las señales que indican la detección de luz dispersada por el humo o la masa de partículas. A través del software también se pueden controlar remotamente los movimientos de los dispositivos de campo y las características del haz de luz infrarrojo que emana desde el emisor. Toda la información será enviada a un centro de control donde será un operador será quien, finalmente, decida si se trata de un incendio, una nube contaminante o una falsa alarma.

Figura 13. Dispositivo de campo del sistema Integra Wild Fire visto desde diferentes posiciones.

En síntesis el sistema funciona de acuerdo a lo ilustrado en la figura 14. Se puede señalar que este sistema no presenta muchas diferencias con el actual sistema de detección en torres con guardabosques que monitorean la situación. Además de seguir siendo un sistema visual, se considera que puede tener muchas falsas alarmas dado que un elemento común en un bosque, como el paso de aves, puede hacer que el haz de luz emitido rebote y se genere una señal de la que se tendrá que ocupar el operador para discriminar si es o no un incendio forestal u otro tipo de evento.

29

Emision de haz IR

Recepcion de haz IR dispersado

Doble verificacion

Cámara toma imágenes

Operador da o no la alarma

Datos llegan a la central

Sofware procesa los datos

Figura 14. Proceso de funcionamiento del sistema Integra Wild Fire

3.3. Detección utilizando imágenes satelitales

Otro sistema de detección de incendios forestales es uno perteneciente a un estudio realizado por la Universidad de la Frontera, en el que se utilizan imágenes satelitales para estos fines. Específicamente, a través de un modelo de red neuronal, la cual utiliza los datos del satélite NOAA16 que posee variados sensores, se detectan las emergencias. El estudio se realizó para la Región de La Araucanía y, para días sin nubosidad, logró una detección 100% acertada para incendios mayores de 15 hectáreas y 50% efectiva para fuegos de 10 hectáreas [12].

Figura 15. Región de La Araucanía en escala de grises, de acuerdo a la temperatura en grados Kelvin, percibida por el satélite NOAA 16.

30

Como podemos ver en la figura 15, la detección del incendio solo depende de los niveles de gris que posea la imagen, los que varían según la temperatura en grados Kelvin. De igual forma, en las figuras 16 y17 podemos apreciar los incendios detectados por el sistema versus los reportados por CONAF.

Figura 16. Detección de incendios entre 5 a 10 hectáreas. Izquierda: Los puntos blancos son los incendios detectados por la red neuronal. Derecha: Los puntos negros son los incendios reportados por CONAF.

Figura 17. Detección de incendios de 15 hectáreas. Izquierda: Los puntos blancos son los incendios detectados por la red neuronal. Derecha: Los puntos negros son los incendios reportados por CONAF.

El gran problema que presenta este sistema son las nubes, puesto que en el estudio se señala que pueden causar falsas alarmas, o bien, situarse sobre el incendio impidiendo que el satélite lo pueda detectar. La figura 18 ilustra mejor esta situación.

31

Figura 19. Detección de incendios. Izquierda: Los puntos blancos son supuestos incendios, detectados por la red neuronal. Derecha: Los puntos negros resaltan la situación indicando el error producido por las nubes presentes.

3.4. Proyecto VERSI

La empresa SR7, lleva a cabo el Proyecto de Visualización de Entornos Robotizada y Seguimiento de Incendios (VERSI). Esta tecnología trabaja de forma continua y autónoma 24 horas al día, permite realizar una detección temprana de focos de incendios forestales y su posterior seguimiento. La vigilancia es operativa desde corta o larga distancia y en condiciones meteorológicas adversas y de baja luminosidad (incluso durante la noche). El sistema permite también la localización de posibles actos pirómanos, vandálicos ó furtivos. La detección, visualización y seguimiento de estos objetivos será enviada al centro de control donde será analizada. El proyecto VERSI cuenta con puntos de observación estáticos (Ver figura 20), los que se encuentran ubicados en torres de estructura metálica, de gran resistencia y sistema anti-escalo, las alturas habituales son 35 metros, pudiendo instalarse otras diferentes de mayor o menor altura, si es necesario. Estas torres están dotadas de un sistema óptico y electrónico (visión térmica y visión convencional), el cual se encuentra en estado de observación de forma continua y en labores de rastreo perimetral de 360º.

32

En el momento que las cámaras térmicas detectan alarmas de nivel 1 (focos de incendio) o de nivel 2 (objetivos móviles), se produce el envío de la alarma al centro de control así como los correspondientes envíos de correos electrónicos o mensajes a móviles (SMS). Con el envío de la alerta se transmiten las imágenes que han generado la alarma para su posterior evaluación. Así mismo se transmiten datos atmosféricos tales como humedad, presión, dirección y velocidad del viento.

Figura 20. Torre de vigilancia de VERSI. (1) Torre de observación. (2 y 4) Cámaras. (3) Sistema de radio enlace con el centro de control.

La utilización de visión térmica (figura 21) aporta una serie de ventajas tales como la localización de objetivos (función de localización y alerta) y la localización de posibles actos vandálicos, atentados contra la seguridad, sabotajes (función disuasoria). Según el fabricante, las imágenes térmicas las que permiten detectar y visualizar con detalle; incluso en condiciones meteorológicas desfavorables tales como niebla, humo, polución, baja o nula luminosidad; cualquier fuente de calor por pequeña que sea; pudiendo identificarse con fiabilidad a individuos, vehículos o fogatas. El sistema facilita un seguimiento en tiempo real de cualquier incidencia sucedida. Además, el proceso de detección y transmisión de imágenes es totalmente autónomo.

33

Otra características de las torres de vigilancia forestal es que pueden estar dotadas de un sistema de comunicaciones WIMAX-WIFI, el que permite a los vehículos de los agentes forestales mantenerse conectados al centro de monitoreo de forma continua mediante banda ancha de Internet. Por otro lado, se ha dotado de sistemas autónomos de producción de energía eléctrica a más de la mitad de las torres de vigilancia y comunicaciones instaladas en diferentes zonas de España.

Figura 21. Imagen recogida por las cámaras a larga distancia. (1 y 2) Imágenes convencionales. (3) Imágenes térmicas en las que se detecta un punto de calor encerrado en el círculo amarillo.

Desde el centro de control se pueden gestionar los centros de observación pudiendo referenciarlos en un mapa, dar de alta o baja, controlar parámetros técnicos relacionados con el sistema de comunicaciones, orientar las cámaras manualmente, entre otras funciones. Un software controla todo el sistema y ofrece toda la información que se procesa de los puntos de observación, tanto fijos como móviles. También, se puede realizar un seguimiento desde el centro de control de las patrullas que se encuentran en labores de vigilancia y poder así orientar su trabajo correctamente [13]. Una de las desventajas del sistema de detección de incendios mediante cámaras de visión térmica es que si hay un objeto (como un árbol o una montaña) entre la cámara y el foco del incendio, será casi imposible para el sistema detectar el foco del fuego. Por otro lado se señala que la intensidad del punto de calor debe ser elevada para ser detectada por la cámara térmica, por lo que puede ser que cuando estos sistemas den la alarma, ya se esté en presencia de un incendio más descontrolado [14].

34

CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL SISTEMA Cuando se pretende desarrollar e implementar un dispositivo, el diseño es una de las etapas más importantes de todo el proceso. En este capítulo, se señalan las consideraciones que se deben tomar para la creación del prototipo, se indican los componentes del sistema y su funcionamiento; además, se señalan los costos y características del sistema diseñado.

4.1. Consideraciones previas al diseño

Primeramente, hay que recordar que se pretende realizar un prototipo de un sistema; es decir, al menos en este trabajo, no se espera llegar a un producto final y listo para ser comercializado. En segundo lugar, se debe tener claro que el sistema consistirá en una red de sensores inalámbrica (WSN) y que busca alertar la presencia de incendios forestales. Para ello, el sistema indicará el cambio de determinadas variables, específicamente, las que se ven afectadas ante la presencia de fuego en el ambiente. Basados en la recopilación de información vista en el marco teórico, podemos decir que las variables que podrían resultar más relevantes para este prototipo del sistema son la temperatura, la humedad relativa, la concentración de gases en el ambiente como, por ejemplo, dióxido carbono. Otra consideración importante es el hecho de que se los dispositivos sensores estarán en una zona boscosa. Esto significa la presencia de animales, condiciones climáticas según la zona de instalación, alta presencia de obstáculos para la transmisión inalámbrica (principalmente, los árboles); además, se debe pensar en la presencia de personas que puedan modificar o robar los dispositivos instalados. En cuanto a la alimentación del sistema, difícilmente se podrá contar con energía de la red eléctrica; además, puede resultar muy invasivo para la vida del bosque el tener cables por el terreno. Por lo anterior, se deben considerar otras alternativas

35

(baterías, energía solar, energía eólica) para energizar los dispositivos de campo, si es que lo necesitasen. Para no intervenir con la vida vegetal o la actividad forestal, se cree que la mejor opción es realizar un modelo desmontable, es decir, situar los dispositivos sensores en una caja colocada sobre un poste. De esta forma, si hubiera una tala, trabajos en la zona o simplemente, si los árboles crecieran, se puede remover o cambiar sin mayores inconvenientes el sensor.

4.2. Diagrama de bloques

Antes de hablar de los componentes que se utilizan, primeramente se expone el diagrama de bloques propuesto para la solución. Se parte por esta visión más general, puesto que después sólo es solo cosa de situar componentes que cumplan la función de cada etapa. Primeramente, en la figura 22, se muestra el diagrama de bloques para el dispositivo de campo que captará la temperatura, la humedad relativa y la concentración de dióxido de carbono presente en el lugar.

Sensor de temperatura

Sensor de humedad

Fuente de alimentación

MCU

Tx / Rx

Sensor de dióxido de carbono

Figura 22. Diagrama de bloques del dispositivo de campo.

La min-red que se pretende implementar tendría los nodos sensores, inmersos en el bosque y enviaría los datos hacia una estación de control central. Los datos de los sensores más alejados, en caso que no se puedan comunicar directamente con la

36

estación de control, deberán ser enviados a un nodo más cercano (de paso) para que este haga llegar la información a la central. La figura 23 ilustra mejor esta situación.

Figura 23. Topología de la red de sensores inalámbricos para la detección de incendios forestales.

4.3. Componentes a utilizar: función y descripción.

En nuestra mini-red existen dos compontes principales: los nodos sensores (dispositivos de campo) y la estación de control. A continuación se indican los componentes seleccionados para llevar a cabo este prototipo. Naturalmente, en una etapa futura (pensando en la comercialización del producto) puede haber algunos cambios en los componentes o algunas mejoras en el diseño.

4.3.1. Unidad Micro Controladora (MCU): ARDUINO UNO

Por su versatilidad, resulta ideal para realizar prototipos el uso de ARDUINO (Ver figura 24). Se trata de una tarjeta de desarrollo basada en el micro-controlador ATmega328 [15]. Algunas de sus características son:

37



Voltaje de alimentación: 7-12V



14 pines de entradas/salidas digitales



6 pines de entradas análogas



40 mA de salida.



Memoria flash de 32KB.



2KB de SRAM.



1KB de EEPROM.



Velocidad del reloj: 16MHz.

El ARDUINO UNO será el encargado de tomar las señales del provenientes de los sensores y procesarlas de manera de que el transmisor de datos pueda enviarlas a la estación de control. En general, coordinará las acciones del dispositivo de campo.

Figura 24. Componentes de la tarjeta de desarrollo ARDUINO UNO

38

4.3.2. Sensor de temperatura: TMP 36

El TMP 36 entrega una salida de voltaje que varía linealmente con la temperatura. La ecuación 3 describe la relación entre la temperatura del ambiente que rodea al sensor, en grados Celsius (señalada como T), y el voltaje que entrega en la salida, en volts (señalado como V)[16]. T = 100V – 50

(3)

En la figura 25 vemos el dispositivo y sus conexiones, las cuales simplemente son: un pin para la alimentación, un pin que entrega la señal y otro pin que se conecta a tierra.

Figura 25. Conexiones del sensor TMP36 visto desde abajo.

Algunas características del dispositivo son: 

Voltaje de alimentación: Desde 2,7 volts hasta 5,5 volts



Lineal con factor de escala de 10mV/°C



Precisión de ±2°C



Rango de trabajo desde -40°C hasta +125°C

Para su aplicación, este sensor no requiere mayor acondicionamiento, el circuito sugerido en la hoja de datos (el que se muestra en la figura 26) solo añade un capacitor cerámico.

39

Figura 26. Circuito para conectar el sensor TMP 36.

La función de este elemento es una de las más importantes del sistema, puesto que la temperatura es un factor clave cuando se trata de incendios. Si ésta es muy elevada se puede deber a que están las condiciones ambientales para que se produzca un incendio forestal, o bien, ya derechamente existe fuego en el lugar. Por lo anterior, se vuelve extremadamente relevante que este sensor funcione de manera adecuada.

4.3.3. Sensor de humedad: HS1101

Este sensor, es básicamente un capacitor variable. Concretamente, la humedad relativa del ambiente afectará el valor de la capacitancia del HS1101. La función que indica la relación entre la capacitancia captada y la humedad relativa del ambiente se muestra en la ecuación 4, donde C es la capacitancia en pF y HR es el porcentaje de humedad relativa del ambiente [17]. C = C55%HR(1.25*10-7*HR3-1.36*10-5*HR2+2.19*10-3*HR+9*10-1)

(4)

Sin embargo, para obtener una señal del ARDUINO no nos sirve la variación de la capacitancia. Para que el microcontrolador pueda captar la señal del HS1101, es preciso adaptarla utilizando otro circuito. Para este caso, se utiliza un circuito integrado 555 configurado como astable (ver figura 27) donde el capacitor es el sensor. Al ser variable el capacitor del circuito, la frecuencia de los pulsos irá cambiando; lo cual sí puede ser procesado por el ARDUINO.

40

Figura 27. Circuito adaptador de señal para el sensor de humedad HS1101.

En resumen, la humedad relativa del aire, entrega al microcontrolador pulsos a una determinada frecuencia, según corresponda. Según la hoja de datos, otras características de interés que posee el sensor son: 

A un 55% de humedad relativa, el sensor posee una capacitancia entre 177pF y 183 pF. Típicamente son180 pF.



Trabaja bajo temperaturas entre los -40°C y +100°C

De implementarse el circuito de la figura 27, el fabricante señala que los valores de frecuencia obtenidos, según el porcentaje de humedad, son los señalados en la tabla 1.

41

Humedad Relativa

Frecuencia del

(HR) en porcentaje

salida en Hertz

0

7351

10

7224

20

7100

30

6976

40

6853

50

6728

60

6600

70

6468

80

6330

90

6186

100

6033

Tabla 1. Relación entre humedad y frecuencia de salida del circuito utilizado para el sensor de humedad HS1101.

La función de ese sensor será indicar la humedad relativa del ambiente en esa parte del bosque, la cual, si alcanza niveles muy bajos, nos permitirá saber si estamos frente a un escenario de potencial riesgo de incendio forestal debido al clima seco.

4.3.4. Sensor de dióxido de carbono: TGS4161

Este dispositivo entrega una salida de voltaje de acuerdo a la concentración de dióxido de carbono que existe en el ambiente que lo rodea. Su funcionamiento es un poco más complejo que los sensores anteriores. El sensor es alimentado con 5V con el fin de calentarlo para que pueda realizar una medición. Cuando entra en contacto con el CO2, el sensor genera una diferencia de potencial en sus terminales de salida, la cual va disminuyendo a medida que aumenta la cantidad de este gas en el ambiente [18]. En la figura 28 se aprecia el dispositivo.

42

Figura 28. Sensor TGS4161. Izquierda: Diagrama de conexiones. Centro: Dispositivo real. Derecha: Conexiones del dispositivo visto desde abajo.

Para captar bien la señal emitida por el sensor, es necesario realizar un acondicionamiento

mediante

el

uso

de

dos

amplificadores

operacionales,

específicamente el CA3140 [19]. Dicho circuito se muestra la figura 29 y adapta la impedancia, para luego amplificar y filtrar la señal.

Figura 29. Circuito para adaptar la señal obtenida por el sensor TGS4161.

Sin embargo, resultaría algo difícil indicar un valor preciso para concentración de dióxido de carbono. Esto, en primer lugar, porque una vez que ya fue calentado el sensor, la salida de voltaje obtenida no es exactamente igual para una misma

43

concentración del gas. Además, la variación de voltaje está en una escala semilogarítmica y varía según cada sensor [19]. Considerando lo anterior, podemos decir que este sensor permite captar de buena forma una variación importante en la concentración de dióxido de carbono en el ambiente. Algunas características de dispositivo sensor, expuestas en la hoja de datos, son: 

Voltaje de alimentación o de calentamiento: 5 V



Voltaje de salida a concentración normal: 220 mV a 490 mV



Tiempo de respuesta o de calentamiento: aproximadamente 1 minuto y medio.

Como ya mencionamos, este sensor se basa en una diferencia de voltaje, la cual se explica en la ecuación 5; donde EMF1 es el voltaje a concentración normal (350ppm), EMF2 es el voltaje a una concentración determinada y ΔEMF es la diferencia entre ambas. ΔEMF = EMF2 – EMF1

(5)

Como se ilustra en la figura 30, según ΔEMF (la cual va aumentando según la concentración del gas) se obtiene el dióxido de carbono presente en el entorno.

Figura 30. Gráfico que muestra la relación entre la ΔEMF y la concentración de CO 2.

44

El rol que cumple este sensor en el sistema, será el de captar la presencia de humo en las cercanías de donde está montado el dispositivo. Como vimos antes, el humo producido en una combustión posee muchos gases y el CO 2 es uno de los que se encuentra presente en gran parte.

4.3.5. Transmisión y recepción de datos: XBee Pro XSC

Para enviar a la estación central los datos captados por el nodo en terreno, los dispositivos de campo requieren de un elemento que interactúe inalámbricamente con, por ejemplo, un computador ubicado en el centro de control. Para realizar esta función, se utilizó la tecnología desarrollada por Digi: los módulos XBee. En la tabla 2 se muestran los diferentes modelos y sus características [20]. Si se recuerdan las consideraciones previas al diseño de las que se habló anteriormente, se puede decir que el modelo más indicado para nuestro caso es el XBee Pro XSC (ver figura 31). Esto porque, al tener mayor potencia de salida y al trabajar con una menor frecuencia, tendrá mayor penetración o alcance en zonas boscosas; además, al modelo seleccionado se le puede añadir una antena que aumente su ganancia. A continuación se señalan aspectos técnicos del XBee: 

Alcance según fabricante: 9.6 kilómetros con línea vista y 370 metros en interiores o espacios urbanos.



Potencia de salida: 100mW



Sensibilidad del receptor: -106dB



Impedancia de salida: 50 ohms



Frecuencia: 900 Mhz



Tasa máxima de transmisión de datos: 9.6 kbps



Permite redes comunicación punto a punto, punto a multipunto o peer-to-peer.



Voltaje de alimentación: 3.3 VCC



Corriente de transmisión: 265mA



Corriente de recepción: 64mA

45



Temperatura de operación: -40°C a 85°C

Xbee

Max data rate

Frequency band

Transmit power

Antenna

IO pins digital

Range

XBee 1mW PCB Antenna

115.2 kbps

2.4 GHz

1 mW (+0 dBm)

Built-in

8

100 m

XBee 1mW Wire Antenna

250kbps

2.4 GHz

1mW output (+0dBm)

Built-in

8

100 m

XBee 2mW Chip Antenna Series 2

250kbps

2.4 GHz

2mW output (+3dBm)

Built-in

8

120 m

XBee 2mW PCB Antenna Series 2 (ZigBee Mesh)

250kbps

2.4 GHz

2mW output (+3dBm).

Built-in

8

120 m

XBee 2mW RPSMA - Series 2

250kbps

2.4 GHz

2mW output (+3dBm)

RPSMA

8

120 m

XBee 2mW Wire Antenna Series 2 (Mesh)

250kbps

2.4 GHz

2mW output (+3dBm)

Built-in

8

120 m

XBee Pro 50mW RPSMA Series 2 (Mesh)

250kbps

2.4 GHz

50mW output (+17dBm).

RPSMA

8

1600 m

XBee Pro 50mW Serie 2.5 Wire Antena

250kbps

2.4 GHz

50mW output (+17dBm).

Built-in

8

1600 m

XBee Pro 60mW serie 1 PCB Antena

250kbps

2.4 GHz

60mW output (+18dBm).

Built-in

8

1600 m

XBee Pro 60mW Wire Antenna

250kbps

2.4 GHz

60mW output (+18dBm)

Built-in

8

1600 m

XBee Pro 900 RPSMA

156 Kbps

ISM de 900MHz

50 mW (+17 dBm)

RPSMA

10

10 km

XBee Pro 900 XSC RPSMA

9.6kbps

ISM de 900MHz

100 mW power output

RPSMA

none

24000 m

Tabla 2. Modelos de módulos XBee y sus características.

Como se aprecia en la figura BB, el XBee Pro XSC posee veinte pines, de los cuales solo se ocuparán cuatro: el pin para alimentación (pin 1), otro para datos de salida (pin 2), uno para datos de entrada (pin 3) y la conexión a tierra (pin 10).

46

Figura 31. Xbee Pro XSC y sus pines de conexión vistos desde arriba.

Además, una antena RP-SMA y la tarjeta XBee explorer USB (como las de la figura 32) deben ser igual consideradas cuando se instala uno de estos módulos XBee. Según la hoja de datos una antena de 2.2 dB es suficiente para alcanzar las distancias señaladas, mientras que la tarjeta XBee explorer USB su utiliza para realizar la conexión del Xbee con la computadora.

Figura 32. Xbee explorer USB (izquierda) y Antena RP-SMA 900Mhz 2,2dB (derecha)

En síntesis, el rol de estos componentes consiste hacer posible la transmisión de los datos captados por los nodos sensores más lejanos y llevarlos hasta la estación de control.

4.3.6. Alimentación: Baterías y/o panel solar

Como ya se mencionó, resultaría invasivo llevar líneas eléctricas hasta los bosques, por lo que una forma de alimentar estos sistemas sería mediante el uso de baterías de entre 7 y 12 V que proporcionen, al menos, 250 mA. Sin embargo, para evitar el hecho de tener que estar cambiando las baterías cuando se agoten, se agrega

47

un panel solar para que proporcione la energía al sistema durante el día, mientras que en la noche se utilizan las baterías. Siguiendo con lo anteriormente dicho, dado que el Arduino no entrega la corriente que necesita el XBee para funcionar a plenitud (solo entrega 40mA), puede tenerse dos baterías, una para alimentar el microcontrolador (de 9V por ejemplo) y otra para energizar el transceptor de datos (3,5 V estarían bien). Como se muestra en la figura 33, existen placas en el mercado para energizar el XBee a través de baterías con el apoyo de la energía solar [21].

Figura 33. Tarjeta XBee Carrier que utiliza baterías recargables y energía solar.

4.3.7. Sistema de alerta: Software de monitoreo y mensajes de texto a un celular

Los nodos sensores captarán las diferentes variables del ambiente que los rodea y estas serán transmitidas hasta un computador ubicado en un puesto de control. Sin embargo, se debe disponer de un mecanismo que alerte cuando las variables posean ciertos valores que indiquen la presunta presencia de un incendio forestal. Para ello, se propone la creación de un software computacional y que, además, se incluya un mensaje de alerta que llegue vía SMS a un teléfono móvil. Primeramente, el software para el sistema operativo Windows se puede crear utilizando Visual Basic, el cual permitirá generar una interfaz donde se muestren los datos captados por los sensores, señalando con diferentes colores alertas visuales para el operador que maneje el PC. Asimismo, el software creado puede contar con un registro de los datos recibidos anteriormente.

48

En segundo lugar, utilizando un módulo GSM como el de la figura 34 se puede enviar un mensaje de alerta a un teléfono móvil cuando, por ejemplo, la temperatura sea muy elevada. Para estos fines, el shield para ARDUINO EFCom GPRS/GSM es una buena opción. Solo se debe conectar la PC, a través de un cable USB, el ARDUINO UNO programado con el shield EFCom GPRS/GSM conectado (y con una tarjeta SIM común) para realizar el envío de mensajes de texto. Un punto importante, recomendado por el fabricante, es que además de la conexión USB, se debe conectar a un transformador DC que proporcione 1 A de corriente puesto que la corriente entregada por el ARDUINO no es suficiente para el envío de la información [22].

Figura 34. Shield EFCom GPRS/GSM para ARDUINO.

4.4 Síntesis sobre el funcionamiento general del sistema diseñado

Ya se han mencionado las funciones y los componentes que integran cada una de las partes de este sistema. Ahora, hay que mencionar el funcionamiento de este prototipo de mini-red para la alerta temprana ante la presencia de incendios forestales. En primer lugar, se instalan los nodos sensores a una distancia entre 50 y 100 metros entre si. Cada uno estará monitoreando las condiciones del ambiente (temperatura, humedad relativa y concentración de dióxido de carbono) cada cierto tiempo y, luego, las transmitirá a la estación de control. En este último punto habrá un dispositivo receptor conectado a un PC, el cual contará con un software que mostrará

49

los datos captados por los sensores. Asimismo, el PC podría estar facultado para enviar los datos a un externo, lo cual puede ser mediante una página web o a través del envío de mensajes de texto a celulares en caso de emergencia. Los dispositivos mas alejados de la estación de control, envían sus datos al nodo más cercano. El nodo “de paso”, o sea el mas cercano a la central, será el que tenga más trabajo, puesto que deberá enviar los datos propios junto con los de los otros dispositivos sensores. Cuando los sensores detecten un valor anormal para alguna de las variables, el software indicará una señal de alerta que aparecerá en la pantalla del usurario del PC en la estación de control. De igual forma, el sistema podría enviar un SMS a un celular predeterminado indicando la emergencia. En la figura 35, se puede apreciar el diagrama de bloques del sistema completo; mientras que, en la figura 36, se presenta el diagrama de flujo donde se indican los procesos realizados por el sistema para dar o no la alarma.

Figura 35. Diagrama de bloques de los componentes del sistema completo.

50

Figura 36. Diagrama de flujo que indica el funcionamiento del sistema.

4.5. Costos de diseño

Si bien los aspectos técnicos son los que más interesan en este trabajo, no hay que dejar de lado el aspecto monetario, el cual cobra importancia al momento de implementar un determinado sistema o ejecutar un determinado proyecto. Por lo anterior, antes de finalizar este capítulo de diseño y pasar a mostrar la implementación del prototipo, se mencionarán los valores y proveedores de los componentes mencionados. Esto, con el fin de tener una idea general sobre el costo del sistema.

51

Tras una recopilación de información en diferentes sitios web, se obtiene la tabla 3, la que muestra el precio aproximado y un distribuidor de referencia para cada dispositivo mencionado.

Item Valor unidad Cantidad Valor total Distribuidor ARDUINO UNO $ 17.000 1 $ 17.000 MCI electronics XBee explorer USB $ 12.000 1 $ 12.000 MCI electronics XBee Pro XSC $ 42.000 1 $ 42.000 MCI electronics Antena RP - SMA $ 7.000 1 $ 7.000 MCI electronics Shield EFComm GSM para $ 30.000 1 $ 30.000 DX Componentes ARDUINO estacion de Cable USB $ 1.000 2 $ 2.000 Minicentro control Tarjeta SIM $ 2.000 1 $ 2.000 Virgin Mobile (desbloqueda) Computador $ 200.000 1 $ 200.000 Multitiendas Transformador de 9V/1A $ 2.000 1 $ 2.000 Electronica STEP Sub total $ 314.000 ARDUINO UNO $ 17.000 1 $ 17.000 MCI electronics Sensor de temperatura $ 2.000 1 $ 2.000 MCI electronics TMP 36 Sensor de humedad $ 6.000 1 $ 6.000 MCI electronics HS1101 Sensor de dióxido de $ 20.000 1 $ 20.000 Aliexpress carbono TGS4161 Circuito integrado 555 $ 600 1 $ 600 MCI electronics Amplificador operacional $ 2.500 2 $ 5.000 HM electronics CA3140 Componentes Panel solar 8V / 550 mA $ 24.000 2 $ 48.000 MCI electronics de 1 nodo de Batería recargable de 9 V $ 3.600 1 $ 3.600 Minicentro campo Pack de resistencias y $ 4.000 1 $ 4.000 MCI electronics condensadores XBee Pro XSC $ 42.000 1 $ 42.000 MCI electronics Antena RP - SMA $ 7.000 1 $ 7.000 MCI electronics Caja para contener el $ 3.500 1 $ 3.500 Sodimac circuito 1 metro de alambre para $ 300 1 $ 300 Sodimac conexiones Sub total (costo por nodo $ 159.000 de campo)

Tabla 3. Costos de los componentes utilizados en el sistema

Ciudad/Pais Santiago, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile China Valdivia, Chile Chile Chile Valdivia, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile China Santiago, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile Valdivia, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile Santiago, Chile Valdivia, Chile Valdivia, Chile

52

CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE LA MINI-RED DE SENSORES En esta sección se muestran los pasos llevados a cabo para implementar, en la realidad, el prototipo construido. Además de señalar los componentes con los que se trabajó y las diversas pruebas realizadas, se muestran los dispositivos que formaron parte del sistema final que se logró construir.

5.1. Adquisición de componentes

La mayoría de los componentes mencionados en el capítulo de diseño lograron ser adquiridos y utilizados para el desarrollo de la mini-red de sensores. Estos, se obtuvieron con fondos propios, más los aportes de la Escuela de Ingeniería Civil Electrónica, junto con el Instituto de Electricidad y Electrónica. A continuación, se mencionan los componentes utilizados para la implementación. 

4 ARDUINO UNO



3 XBee Pro XSC (con conexión para antena RP-SMA)



3 Antenas RP-SMA



1 XBee explorer USB



1 Shield EFComm GSM para ARDUINO



2 Sensores de temperatura TMP 36



2 Sensores de humedad HS1101



2 Sensores de dióxido de carbono TGS4161



Baterías de 9 volts



2 CI 555



4 Amplificadores operacionales CA3140



Otros insumos genéricos (cajas, cables, protoboard, etc)



Herramientas (Alicate, multímetro, destornillador, etc)

53

5.2. Pruebas

A medida que se iban adquiriendo los componentes, se fueron armando diferentes elementos del sistema. Para llegar a un prototipo que funcionara de manera adecuada, fue necesario realizar diversos experimentos para ver el comportamiento de los sensores, la calidad de en la transmisión de los datos, entre otros.

5.2.1. Pruebas de comunicación inalámbrica

Con los módulos XBee Pro XSC se realizaron diferentes pruebas para ver, primero, si la señal era capaz de penetrar en un entorno boscoso y, en segundo lugar, conocer el alcance máximo que tenían los dispositivos. La primera prueba realizada fue ubicar un nodo transmisor en el balcón del Edificio 6000 mientras que, con el módulo receptor, una persona iba adentrándose en el bosque que se encuentra frente a dicho edificio. La figura 37, obtenida utilizando las imágenes satelitales de Google Earth, ilustra mejor esta situación. Se llegó a 120 metros aproximadamente, después, el terreno ya no permitía seguir alejándose. Con esto, se puede prever que los nodos de campo, ubicados en el interior del bosque, podrían estar entre 50 o 100 metros de distancia y no tendrían problemas en su comunicación.

Figura 37. Zona y distancia alcanzada durante pruebas de penetración de la señal.

54

Por otra parte, para tener una idea de cuanta es la distancia máxima que puede haber entre la central y el nodo sensor más cercano, se realizaron pruebas para determinar el alcance máximo. Para ello, se fue hasta el sector Isla Teja, en la ciudad de Valdivia, se buscó una calle que tuviera una gran línea recta, y se ubicó un notebook con el módulo receptor conectado en un punto estático; mientras que, el nodo sensor se alejaba mientras transmitía datos. Se aprecia en la figura 38, obtenida con el software de imágenes satelitales Google Earth, el camino recorrido durante el experimento. El máximo alcance obtenido fue de un poco menos que 1 kilometro.

Figura 38. Zona y distancia cubierta para determinar el alcance máximo durante la transmisión de datos.

Si bien la hoja de datos del XBee señala que el alcance máximo, con línea de vista, es de nueve kilómetros; el hecho de que la distancia obtenida en el experimento sea menor, se explica debido a que la fuente de alimentación del XBee (el ARDUINO UNO) provee una corriente hasta de 50mA, siendo que el módulo transmisor requiere una alimentación de 250mA para lograr su alcance máximo. Este hecho se podría solucionar teniendo, por ejemplo, una batería propia que alimente el módulo XBee.

55

5.2.2. Pruebas con el sensor de temperatura

Para conocer el funcionamiento del sensor de temperatura TMP36, primero, se fue a la hoja de datos, donde se la expresión que relaciona el voltaje de salida con la temperatura captada, es la ya mostrada en la ecuación 3. Se conectó el sensor a la entrada analógica del ARDUINO y se programó para que entregara un valor de temperatura en grados Celsius, con dos decimales de precisión, basado en la expresión de la hoja de datos. Dicha expresión se aprecia en la ecuación 6, que es equivalente a la ecuación 3, donde T es la temperatura y V es el voltaje en volts captado por el sensor. T= (V – 0,5) · 100 (6)

Los resultados obtenidos fueron satisfactorios y acordes a la realidad, puesto que en un ambiente templado marcaba alrededor de 23 grados, en días fríos rondaba lo 10 grados, al ser tocado por los dedos subía hasta mas de 30 grados igualándose con la temperatura corporal. De todos modos, más allá de las apreciaciones anteriores, la medida del sensor fue comparada con otros dispositivos que medían temperatura ambiental, obteniendo valores casi idénticos. Otro punto a señalar es que el tiempo de respuesta para el cambio de temperatura era de unos cuantos segundos. Se podría decir que tomaba cerca de 30 a 60 segundos el lograr llegar al valor final de la temperatura captada. Por lo anterior, de las pruebas se desprende que la ecuación 6 es válida para ser utilizada en el sistema.

5.2.3. Pruebas con el sensor de humedad

Para observar el comportamiento del sensor HS1101 se construyó el circuito ya visto en la figura 27 con un 555 configurado como astable, donde el capacitor es el sensor de humedad. A medida que varía la humedad, varía la capacitancia del sensor y, por ende, se modifica la frecuencia de los pulsos de salida del astable de acuerdo a

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la ecuación 7, donde f es la frecuencia, C es la capacitancia del sensor y R2 y R4 son las resistencias del circuito de la figura 27.

f 

1 C(R4  2R 2 ) ln 2

(7)

La salida del astable eran conectados al ARDUINO para medir la frecuencia y mostrar la humedad del ambiente. Sin embargo, la ya mencionada ecuación 4, que describe la variación de la capacitancia del sensor de acuerdo a la humedad relativa del ambiente, pareció algo compleja por lo que se buscó una forma de simplificarla. Para ello se realizó observó la relación entre frecuencia y humedad relativa que sale en el datasheet y se comparó con los valores reales, esto se muestra en el gráfico de la figura 39.

Figura 39. Gráfico que relaciona frecuencia vs humedad relativa

Como podemos ver apreciar en la figura 39, la relación entre la humedad relativa del ambiente y la frecuencia de salida del astable es aproximadamente lineal. Tras algo de trabajo matemático se decidió utilizar la ecuación 8, donde f es la frecuencia y HR corresponde al porcentaje de humedad relativa del ambiente.

57

HR = 589.7 – 0.068f

(8)

Con pruebas tan simples como soplar aire húmedo cerca del sensor, ya se apreciaba un aumento en la humedad entregada por el ARDUINO. Se puedo observar que posee una rápida respuesta a los cambios en cuestión de segundos se detectaban nuevos valores cuando las condiciones ambientales cambiaban. Sin embargo, dado a que este trabajo fue realizado en invierno, en la lluviosa ciudad de Valdivia, solo se pudieron comparar las mediciones del sensor con la de otros instrumentos para valores de humedad elevado (sobre 75%), por

lo que empíricamente no se observó el

comportamiento en un ambiente seco.

5.2.4. Pruebas con el sensor de dióxido de carbono

Con el sensor TGS4161 y los amplificadores operacionales CA3140 a disposición, se realizaron pruebas para observar su funcionamiento. Se construyó el circuito de la figura 29, el cual adapta la señal obtenida por el sensor. La salida de este circuito se conectó a la entrada analógica del ARDUINO para obtener el voltaje de salida. Tras las pruebas con los sensores se observó que al inicio el voltaje entregado era muy bajo, pero que iba incrementándose a medida que el sensor se calentaba. Tras un minuto y medio, el sensor entregaba su voltaje para a una concentración normal de dióxido de carbono (aproximadamente 350 ppm). Este valor variaba para cada experimento y para cada sensor, pero siempre era de algunos milivolts (entre 400mV y 800mV). Como ya fue señalado, este sensor disminuye su voltaje entregado a medida que la concentración del gas dióxido de carbono aumenta en el ambiente. Cuando se respiraba sobre el sensor para emular un pequeño incremento del CO 2, se observó que se disminuía entre 80 y 130 milivolts el voltaje entregado por el dispositivo. Por otro lado, cuando el sensor era expuesto al humo, la disminución del voltaje era mayor a 150mV. De las pruebas y observando la información de la hoja de datos, no se pudo indicar la concentración exacta de dióxido de carbono en el ambiente; sin embargo, si

58

fue posible establecer rangos para variaciones leves (de 350ppm a 800 ppm) o variaciones importantes en la concentración del gas (sobre 1000 ppm).

5.3. Implementación del sistema

Cuando ya se conocía el comportamiento de los dispositivos, se procedió a realizar la construcción del sistema. Para ello se armarían dos nodos sensores, uno lejano y otro más cercano (nodo de paso) que llevaría sus datos y los del otro nodo sensor hasta la central; se instalaría un módulo receptor a un notebook que tendría el software especializado para monitoreo de las variables; además, se añadiría un módulo GSM conectado al computador para enviar mensajes de texto en caso de que se diera la alerta por exceso de temperatura. A continuación explicamos en detalle cada uno de los procedimientos llevados a cabo con los componentes mencionados en el apartado 5.1 de este capítulo.

5.3.1. Construcción e instalación

En primer lugar, se elaboró el nodo sensor. Se comenzó programando el ARDUINO UNO, cuyo código lo pueden observar en el anexo 1. Luego, se instaló en la protoboard destinada para circuitos el acondicionamiento de la señal del sensor de humedad, es decir, se instaló el 555 configurado como astable, tal como se muestra en la figura 40. A la entrada de este subsistema (pin 2 del 555) va el terminal positivo del capacitor, mientras que la salida va conectada al pin digital 2 del ARDUINO UNO. Posteriormente, se ubicó en la misma protoboard el circuito de la figura 41, el cual es utilizado para acondicionar la señal del sensor de dióxido de carbono TGS4161. En este caso, a la entrada se conecta el terminal 2 del sensor y, la salida de este subsistema, va conectada al pin analógico 2 del ARDUINO UNO.

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Figura 40. Circuito utilizado para acondicionar la señal proveniente del sensor de humedad HS1101

Figura 41. Circuito utilizado para acondicionar la señal proveniente del sensor de dióxido de carbono TGS4161.

60

En cuanto al módulo XBee Pro XSC, se le conectó un XBee socket para conectar los pines directamente con el ARDUINO, por medio de cables. En la imagen de la figura 42 se observa esto de mejor manera.

Figura 42. Conexiones del XBee Pro XSC

Mas adelante, se ubicaron en una protoboard más pequeña los tres sensores (figura 43), desde la cual se sacaron los cables para conectar los dispositivos con los respectivos circuitos para el acondicionamiento de la señal.

Figura 43. Sensores ubicados en la protoboard. El blanco es el de humedad, el gris corresponde al de dióxido de carbono, mientras que el de temperatura es el negro.

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La figura 44 nos muestra todas las conexiones de un nodo sensor. Podemos apreciar que solo se utilizan los pines digitales 0, 1 y 2, los pines analógicos 2 y 0, junto con los pines de alimentación presentes en el ARDUINO UNO. Por otro lado, solo se utilizan los pines 1, 2,3 y 10 del XBee. Se observa también que, para la alimentación, se utilizó una batería de 9V conectada microcontrolador. Dos protoboards se utilizarían, una para ubicar los sensores exclusivamente y, la otra, sería utilizada para situar los circuitos de acondicionamiento de la señal. Todo lo anterior puede verse llevado a la realidad observando la figura 45.

Figura 44. Diagrama de conexiones dentro de un nodo sensor.

62

En el interior de una caja plástica de 15x15x8 centímetros se ubicaron los circuitos del diagrama de la figura 44. Estos, fueron alimentados con una batería de 9 volt conectada al ARDUINO UNO.

Figura 45. Nodo sensor.

Posteriormente, con el nodo sensor armado, se procedió a poner en marcha la estación central donde se monitorearían las variables captadas por los sensores. Para ello, lo primero que se realizó fue insertar el XBee Pro XSC en el XBee explorer USB.

63

Como ilustra la figura 46, ambos fueron puestos dentro de una caja plástica circular de 8 centímetros de diámetro.

Figura 46. XBee receptor que se conecta vía USB al PC.

Por otro lado, el módulo GSM es un shield que se inserta sobre un ARDUINO UNO. Este ARDUINO está conectado al PC de la estación vía USB y la programación realizada a este se encuentra en el anexo 2. La comunicación entre el PC y el microcontrolador se realiza vía cable USB, por lo que se inhabilitan pines 0 y 1 para comunicación serial; por lo anterior, la comunicación entre el ARDUINO y el shield EFCom GPRS/GSM utiliza los pines 2 y 3 (comunicación serial vía software), tal como se puede apreciar en el código del anexo 2. Otro punto importante a mencionar es que la corriente dada vía USB es insuficiente para el óptimo funcionamiento del shield, por lo que también hay que alimentar el ARDUINO con un transformador de 9V/1A. Por último, tenemos el PC que, en este caso, fue un notebook que poseía un software de monitoreo creado como parte de este trabajo y que se mencionará más adelante. En la figura 47 podemos ver el PC con los dispositivos conectados a él.

64

Figura 47. Elementos de la central de monitoreo. Izquierda: ARDUINO con Shield GSM. Centro: Notebook con el software de monitoreo. Derecha: XBee receptor de datos.

En síntesis, el hardware ya estaba completo. Los nodos de campo habían sido confeccionados, al igual que los elementos que componían la central de monitoreo. Siguiendo ese orden de ideas, resulta oportuno explicar las características del software creado a modo de interfaz hombre-máquina, el cual permite a un operador visualizar los datos enviados por los sensores en lo profundo del bosque.

5.3.2. Software creado

Con el objetivo de que un operador pueda realizar un seguimiento de las variables captadas por los sensores ubicados en lo profundo del bosque, se decide crear un software especializado, llamado: GuardaBosques. GuardaBosques versión 1.0 permite la visualización de los valores numéricos de las variables captadas por los nodos de campo, que son temperatura en grados

65

Celsius, el porcentaje de la humedad relativa del aire y el voltaje de salida del sensor acorde a la concentración de dióxido de carbono presente en el ambiente. Además de lo cuantitativo, posee aspectos cualitativos para indicar el significado de los números. Esto lo realiza a través de un sistema de colores donde celeste y verde son utilizados para situaciones normales, mientras que, cuando las condiciones ambientales parecieran coincidir con la presencia de un incendio forestal se utilizan el amarillo y el naranja. Por ejemplo, lo anterior se aplica para el caso de la temperatura, como vemos en la tabla 4 a continuación:

Valor

Valor

Leyenda

mínimo

máximo

(color)

-

10

Frio

10

22

Normal

22

35

Riesgoso

35

-

¡PELIGRO!

Tabla 4. Ejemplo de la simbología para cada valor de temperatura en el software GuardaBosques.

Otro punto destacado del software es que no solo muestra los valores actuales, sino que también guarda un registro de los datos anteriormente captados mostrando la fecha y hora en que fueron tomados. El funcionamiento del software es simple. Una vez iniciado el programa se debe señalar el puerto COM al que está conectado el dispositivo para enviar los SMS (en este caso el ARDUINO con el shield GSM), luego, se indica el puerto COM al que está conectado el receptor de los datos enviados por los sensores (es decir, el XBee). Tras la realización de estos pasos, el software comenzará a mostrar en la pantalla los valores enviados por los nodos de campo y, simultáneamente, irá creando un registro de los valores captados. En caso de producirse una alarma, por ejemplo, la temperatura se eleva sobre los 35 grados, el software enviará una señal al módulo GSM para que envíe un mensaje de alerta a un celular predeterminado; asimismo, aparecerá un

66

mensaje en la pantalla indicando que se ha alcanzado un nivel peligroso en una de las variables. Por último, tenemos la figura 48, la cual muestra la interfaz del software GuardaBosques versión 1.0, la cual fue creada en su totalidad utilizando el software Microsoft Visual Basic 2010. Si se revisa el anexo 3 se podrán conocer los códigos utilizados en la programación del software.

Figura 48. Interfaz de usuario del software GuardaBosques v1.0.

5.3.3 Simulación de una emergencia

Con todos los elementos del sistema ya confeccionados, era momento de realizar una simulación para revisar el funcionamiento de todo el sistema. Dado que no estuvo la posibilidad de realizar una quema controlada en una zona boscosa, hubo que simular un incendio de otra forma. Para ello, se quemó un trozo de papel en las cercanías de uno de los nodos sensores. Los detalles de esta simulación se exponen en más detalle a continuación. Primero se instalaron los componentes que formaban la central de monitoreo y se ubicaron sobre una mesa (Ver figura 47).

67

Luego, se instalaron los nodos sensores en el exterior, a unos metros de distancia entre si, ambos alimentados con una batería de 9 volts. Se esperaron 5 minutos antes de comenzar, para que los sensores captaran las condiciones normales del ambiente. Ambos nodos median valores similares (no exactamente iguales) para cada variable. Inicialmente la temperatura era de 15 grados Celsius y la humedad relativa era de un 86%. Durante esta prueba, el nodo cercano, que además enviaba los datos del otro nodo más alejado, fue programado para entregar toda su información cada 10 segundos. Mientras que el nodo lejano entregaba un dato cada 16 segundos. En la figura 49 se aprecia como estaban coordinados los tiempos de envío.

HR1 T1 DC1 HR2

HR1 T1 DC1 T2

HR 2

1

HR1 T1 DC1 DC2

T2

3

5

7

9

11

13

15

17

DC2

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

Tiempo (en segundos) Nodo sensor lejano Nodo sensor cercano

Figura 49. Momentos del envío de datos por parte de cada sensor. Verde: Señal del nodo cercano. Rojo: Señal del nodo lejano.

Posteriormente, se procedió a tomar una hoja de papel para quemarla a, aproximadamente, 30 centímetros bajo los sensores de dispositivo lejano, tal como se observa en la figura 50. Pasado 1 minuto luego de la exposición al fuego, ya se comenzaron a apreciar cambios en las variables. El gráfico de la figura 51 permite visualizar de mejor manera el cambio de las variables del nodo sensor lejano. Nótese que a las 10:49 horas el sensor captó el fuego, elevándose la temperatura (de 16°C a 38°C), disminuyendo la

68

humedad (de 90% a 65%) y reduciéndose el voltaje entregado por el sensor de CO2 (de 0,8mV a 0,65mV).

Figura 50. Nodo sensor expuesto al fuego, para captar cambios en las variables medidas.

Figura 51. Gráfico de respuesta al fuego del nodo sensor 2 (nodo lejano)

Cuando se sobrepasó el límite de temperatura previamente establecido (22°C), en menos de 1 minuto llegó un SMS con el mensaje “Sensor 2 Temperatura Elevada”.

69

Después se repitió el proceso, es decir, se quemó otra hoja de papel pero bajo los sensores del nodo cercano, obteniéndose el gráfico de la figura 52, que muestra el cambio de las variables en el tiempo. En este caso, a las 10:54 horas, fue captado el fuego de manera más evidente y; de modo semejante al otro nodo, se elevó la temperatura (de 16°C a 29°C), se redujo la humedad (de 89% a 72%) y disminuyó el voltaje enviado por el sensor de dióxido de carbono (de 0,65mV a 0,51mV).

Figura 52. Respuesta al fuego del nodo sensor 1 (nodo cercano).

De igual forma que el experimento con el otro nodo sensor, al sobrepasar cierto límite de temperatura, en menos de 1 minuto, el sistema envió un SMS a un celular con el mensaje “Sensor 1 Temperatura Elevada”.

5.4. Síntesis de los resultados obtenidos

A lo largo de este capítulo hemos indicado los detalles del sistema construido, las distintas pruebas que se han hecho y los resultados obtenidos. Para entender de mejor

70

manera todo lo visto, se presenta una síntesis con los resultados obtenidos tras las pruebas. 

Considerando el sistema actual y dado el alcance de los XBee Pro XSC, la distancia entre el nodo más cercano y la central podría ser de un poco menos de 1 kilómetro (línea de vista). Lo anterior, siempre y cuando no haya ningún obstáculo entre ellos.



La transmisión de datos entre los nodos sensores ubicados en el bosque se puede dar sin inconvenientes si estos se ubican entre 50-100 metros de distancia.



Tanto el sensor de humedad como el de temperatura mostraron valores coherentes y acorde a los ambientes en que eran sometidos. Sin embargo, el sensor de humedad no ha sido probado en ambientes secos, por lo que no se determinó su precisión en esa instancia.



Con el sensor de dióxido de carbono no fue posible determinar la concentración exacta del gas en el ambiente, sin embargo, si se podían captar cambios relevantes. Cuando la concentración de CO2 aumentaba levemente, el voltaje que se tenía a concentración normal disminuye entre 80 y 130mV; por otro lado, cuando la presencia del gas era importante, la disminución era sobre los 150mV.



La duración de la batería depende, en parte, de la cantidad de dispositivos conectados consumiendo corriente a la vez. Por ejemplo, el XBee consume más corriente cuando transmite, pero la periodicidad con que lo hace puede ser regulada; por otra parte, el sensor de dióxido de carbono es el que más consume, por lo tanto, a un dispositivo con este sensor conectado se le deberá cambiar la batería más a menudo.

71



Los tiempos de trasmisión de datos obtenidos tras los experimentos son aceptables (1-2 minutos para obtener todos los datos del sensor mas alejado), aunque habría que probar esta situación en una red más grande, donde un nodo sensor muy alejado tenga pasar por varios nodos más para que su mensaje llegue a la central.



El sistema se comportó satisfactoriamente durante la simulación de una emergencia; aunque, si bien los dispositivos perciben cambios en el ambiente, se observó que el aire caliente o el humo deben estar en contacto con los sensores y, en espacios libres, el viento a veces evita que un “fuego pequeño” pueda ser captado con facilidad. Por lo anterior, como este sistema no se probó en un incendio, solo podemos presumir que los resultados son aplicables a la realidad.

5.5. Proyección de los costos para la implementación del sistema

Como ya se conoce el funcionamiento del sistema, se pueden empezar a realizar algunas proyecciones acerca del costo que tendría cubrir un área determinada. Por ejemplo, si quisiéramos monitorear las condiciones en un sector boscoso de 1 kilómetro cuadrado, es decir 100 hectáreas, se tendrían que considerar la distancia entre los nodos, la cantidad de nodos a instalar y, basados en los costos de los componentes vistos en el punto 4.5, se puede obtener el precio total del sistema. En la cuadrícula mostrada en la figura 53 vemos la disposición tentativa de los nodos en el bosque, donde cada cuadrado representa una hectárea, la estación de monitoreo es la casa ubicada a 500 metros de la entrada del bosque y los puntos negros son los 100 nodos sensores que habría que colocar. Por otro lado, en la tabla 5 se muestran los valores subtotales y el valor total del sistema que asciende a, aproximadamente, 16.2 millones de pesos chilenos.

72

2

Figura 53. Ubicación de los componentes del sistema para cubrir un área de 1 km . Cada cuadrado es 1 hectárea, los nodos son representados por puntos negros, y la casa de la parte inferior es la estación de monitoreo.

Distancia entre nodos horizontal Distancia entre nodos diagonal Cantidad de nodos Costo por nodo Costo total de los nodos Costo por estación de monitoreo Costo total del sistema

$ $ $ $

100 metros 111,8 metros 100 159.000 15.900.000 314.000 16.214.000 2

Tabla 5. Costos estimados para implementar el sistema y monitorear un 1 km de bosque.

73

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES El trabajo realizado durante estos meses permitió conocer más la realidad de una problemática de gran relevancia para los organismos forestales y que, sobre todo en los meses de verano, afecta a parte de la sociedad chilena. Si bien, hoy en día la forma de detección es mayormente la tradicional, es decir, un vigía en una torre observando columnas de humo; se comprendió que todos los sistemas tecnológicos desarrollados para combatir los incendios forestales son un aporte y que se pueden complementar para mitigar exitosamente los grandes daños producidos por este tipo de catástrofes. Se observó que en el mundo existen diferentes tipos de soluciones que utilizan la electrónica para detectar oportunamente este tipo de emergencias. Tras esta investigación se puede decir que todas son mejorables y pueden ocuparse varias de ellas en un mismo sistema, puesto que las fortalezas de algunos dispositivos, complementan las debilidades de otros. En relación a los objetivos puestos en este trabajo, tanto generales como específicos, se cumplieron de manera satisfactoria; naturalmente, considerando el hecho de que esta idea está en la fase de prototipo y que aun debe seguir siendo desarrollada para llegar a un producto final Por otro lado, si se planea llevar este sistema al mercado, se deberá considerar el aspecto económico, un estudio de mercado en ese sentido, observando también la disponibilidad que tienen los clientes para adquirir otros sistemas similares que cumplan la misma función. Considerando el funcionamiento mostrado durante los experimentos realizados, se observaron resultados positivos tales como el hecho de que se pudiera implementar la mini-red con dos nodos sensores que pueden estar en el bosque a una distancia de 100 metros y comunicarse sin problemas; de igual manera, el nodo más cercano puede estar ubicado hasta a 1 kilómetro de la central de monitoreo, pudiendo enviar los datos de los otros nodos sensores más lejanos a dicho puesto de mando. Además, los tres sensores mostraron resultados coherentes a la hora de medir temperatura, humedad relativa y cambios en la concentración de dióxido de carbono en el ambiente. Hay que

74

mencionar también, que el tiempo que le tomó al sistema dar la alerta fue de un par de minutos tras captar valores anormales; esto, tanto para mostrar los datos en la central de monitoreo como para enviar un mensaje de texto a un celular predeterminado. Por otra parte, es importante señalar también las mejoras a realizar o aspectos a determinar en el futuro. Por ejemplo, se puede añadir una alerta cuando un sensor deje de funcionar. Además, se puede mejorar el algoritmo para la aumentar la velocidad con la que llegan los datos del nodo más lejano a la central; lo anterior, en caso de que la red implementada sea grande y la información de un nodo deba “pasar” por varios más para llegar a su destino. Otro punto a considerar en un futuro trabajo es que, en lugar de alertar cuando una variable llega a un valor, dar la alarma cuando el exista un cambio abrupto o constante en la variable; por ejemplo, dar la alarma cuando la temperatura captada va aumentado, sea cual sea su valor, y no esperar a que necesariamente llegue a sobrepase un límite estático como, por ejemplo, sobrepasar los 30 grados. En lo que respecta al software de monitoreo, puede ser mejorado para que sea más intuitivo, amigable y fácil de manejar por parte del usuario; por otra parte, el hardware de los nodos de campo también puede ser mejorado, ya sea utilizando cajas de un material resistente a las llamas, añadiendo paneles solares o, para lograr mayor alcance, un sistema de alimentación propio para el XBee transmisor. En el futuro se deberá determinar la distancia entre los nodos de campo ubicados en el bosque, puesto que esta puede ser variable y debe ser determinada de acuerdo a las necesidades de cada terreno. Personalmente, el trabajo significó una gran oportunidad para poner a prueba los conocimientos adquiridos, enfrentando una problemática real. Además, me permitió ver que existen muchos ámbitos donde la electrónica todavía no ha llegado y que puede resultar una herramienta muy útil para solucionar problemáticas, lo que también puede significar nuevas oportunidades para emprender en el futuro. Finalmente, hay que señalar que este trabajo surgió como la continuación de otro que ya anteriormente fue desarrollado por un alumno de la carrera [23], por lo anterior, se espera que futuras generaciones sigan este ejemplo, con el fin de que las investigaciones relacionadas con esta problemática continúen avanzado en la universidad, hasta llegar a una solución que contribuya a la sociedad en que vivimos.

75

REFERENCIAS [1] Jaime Sandoval G. Teoría de Fuego. Presentación online, accesada en 2014 y disponible en el sitio: http://www.slideshare.net/guestb2169cc/teoria-del-fuego

[2] Sitio web CONAF. Incendios forestales en Chile. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://www.conaf.cl/incendios-forestales/incendios-forestales-en-chile/

[3] Sitio web FuegoLab. Oxigeno, calor, vegetación y fuego. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://fuegolab.blogspot.com.es/2013/03/oxigeno-calor-vegetacionyfuego-de.html

[4] Sitio web CONAF. Estadísticas de ocurrencia diaria. Accesado en 2014 y disponible en

el

sitio:

http://www.conaf.cl/incendios-forestales/incendios-forestales-en-

chile/estadistica-de-ocurrencia-diaria/

[5] Sitio web CONAF. Pronóstico del grado de peligro. Accesado en 2014 y disponible en

el

sitio:

http://www.conaf.cl/incendios-forestales/combate-de-incendios-

forestales/pronostico-del-grado-de-peligro/

[6] Sito web CONAF. Detección de incendios forestales. Accesado en 2014 y disponible en

el

sitio:

http://www.conaf.cl/incendios-forestales/combate-de-incendios-

forestales/deteccion-de-incendios-forestales/

[7] CONAF. Instructivo para detección y despacho de recursos de combate de incendios forestales. Versión: 1. Fecha versión: 10.10.2013

[8] Pallas, R. Webster J. Sensores y acondicionamiento de señal. Segunda edición. Canadá, 2001.

76

[9] Kaschel, H. Redes de sensores inalámbricos. Documento PDF. 2012

[10] Sitio web ENERGRUP. Sistema automático de detección de incendios forestales. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://www.energrup.com/

[11] SITIO OFICIAL DE FIRE WATCH http://www.fire-watch.de/

[12] Muñoz, Acevedo, Salvo, Fagalde, Vargas. Detección de incendios forestales utilizando imágenes NOAA/16-LAC en la Región de La Araucanía, Chile. Bosque (Valdivia) v.28 n.2 Valdivia

2007. Accesado en 2014 y disponible en el sitio:

http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0717-92002007000200004&script=sci_arttext

[13] Sitio web SR7. Vigilancia de incendios forestales. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://www.sr7.eu/vigilancia_forestal.php

[14] Integra. Sistema automático de detección precoz de incendios forestales. Presentación

online

accesada

en

2014

y

disponible

en

el

sitio:

http://www.integraciones.com/files/Productos/IWF%20Espa%C3%B1ol/IWF%20WILDFI RE/iwf_07_02R05_iWildFire_Presentaci%C3%B3n_B%C3%A1sica_ESP.pdf

[15] Sitio web ARDUINO. ARDUINO UNO. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

[16] Analog Devices. Low voltage temperature sensors TMP35/TMP36/TMP37. Hoja de datos del sensor TMP36.

[17] Humiriel. Relative Humidity Sensor. Hoja de datos del sensor HS1101.

[18] Figaro. TGS4161 for the detection of Carbon Dioxide. Hoja de datos del sensor TGS4161.

77

[19] Raja Vara Prasad et al. Real time wireless air pollution monitoring system. ICTACT. Journals. Vol 2, Junio 2011. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://ictactjournals.in/paper/jct_Spl_Paper_370_375.pdf

[20] Sitio web XBee Chile. Caracteristicas. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://xbee.cl/caracteristicas.html [21] Sitio web Seed Wiki. Wireless Sensor Node – Solar kit. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://www.seeedstudio.com/

[22] Sitio web Elec Freaks. EFCom GPRS/GSM Shield. Accesado en 2014 y disponible en el sitio: http://www.elecfreaks.com/wiki/index.php?title=EFCom_GPRS/GSM_Shield

[23] Valdivia, A. Análisis y propuesta de un método de prevención de incendios forestales utilizando redes de sensores inalámbricos WSN. Universidad Austral De Chile, trabajo de titulación, año 2010.

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ANEXO 1. CÓDIGOS DEL ARDUINO EN LOS NODOS DE CAMPO Código del nodo cercano char input; String palabra = ""; const int temperaturePin = 0; const int carbondioxidePin = 2; const int carbondioxidePinB= 4;

void setup() { Serial.begin(9600); }

// Comienza código para medir frecuencia en el pin digital 2 volatile unsigned long firstPulseTime; volatile unsigned long lastPulseTime; volatile unsigned long numPulses;

void isr() { unsigned long now = micros(); if (numPulses == 1) { firstPulseTime = now; } else { lastPulseTime = now; } ++numPulses; }

// Mide la frecuencia en una muestra determinada de tiempo, entregando la frecuencia en Hz float readFrequency(unsigned int sampleTime) { numPulses = 0; attachInterrupt(0, isr, RISING);

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delay(sampleTime); detachInterrupt(0); return (numPulses < 3) ? 0 : (1000000.0 * (float)(numPulses - 2))/(float)(lastPulseTime firstPulseTime); }

void loop() { float freq, voltageT, degreesC, humedad,voltageC; // define las variables a utilizar freq = readFrequency(1000); voltageT = getVoltage(temperaturePin); degreesC = (voltageT-0.5)*100.0; // ecuacion para temperatura humedad=589.7-(0.068*freq); // ecuacion para humedad voltageC=VC1(carbondioxidePin); //obtiene voltaje del sensor de dioxido de carbono

//Luego comienza la transmisión de datos por puerto serial

while (Serial.available()>0){ input = Serial.read(); palabra = palabra+input; //genera la informacion a partir de los datos captados provenientes de otro sensor }

Serial.print("SAHR"); Serial.println(humedad); // muestra el valor de la humedad del sensor A delay(2000);

Serial.print("SAT"); Serial.println(degreesC); //muestra el valor de la temperatura de sensor A delay (2000);

Serial.print("SADC"); Serial.println(voltageC); // muestra el valor del voltaje del sesnor de CO2 del sensor A delay (2000);

Serial.print("S"); Serial.println(palabra); // muestra los datos provenientes de otro sensor palabra = ""; delay(10000); }

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//Estos son funciones creadas para obtener el voltaje de los pines analógicos

float getVoltage(int pin) { return (analogRead(pin)*0.0048828125); }

float VC1(int pin) { return (analogRead(pin)*0.0048828125); }

Código del nodo lejano const int temperaturePin = 0; const int carbondioxidePin = 2; volatile unsigned long firstPulseTime; volatile unsigned long lastPulseTime; volatile unsigned long numPulses;

void setup() { Serial.begin(9600); }

//Comienza el código para medir la frecuencia void isr() { unsigned long now = micros(); if (numPulses == 1) { firstPulseTime = now; } else { lastPulseTime = now; } ++numPulses; }

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// Mide la frecuencia en una muestra determinada de tiempo, entregando la frecuencia en Hz float readFrequency(unsigned int sampleTime) { numPulses = 0; attachInterrupt(0, isr, RISING); delay(sampleTime); detachInterrupt(0); return (numPulses < 3) ? 0 : (1000000.0 * (float)(numPulses - 2))/(float)(lastPulseTime firstPulseTime); }

void loop() { float freq, voltageT, degreesC, humedad,voltageC; freq = readFrequency(1000); voltageT = getVoltage(temperaturePin); degreesC = (voltageT-0.5)*100.0; // ecuacion de la temperatura humedad=589.7-(0.068*freq); // ecuacion de la humedad voltageC=VC1(carbondioxidePin); // ecuacion del voltaje del sensor de dioxido de carbono

//Comienza la transmision de datos

Serial.print("SBHR"); Serial.println(humedad); // muestra la humedad del sensor B delay(18000);

Serial.print("SBT"); Serial.println(degreesC); // muestra la temperatura del sensor B delay(18000);

Serial.print("SBDC"); Serial.println(voltageC); // muestra el voltaje del sensor de CO2 del sensor B delay (18000); }

// Estas son funciones para obtener el voltaje de los pines analogicos float getVoltage(int pin) { return (analogRead(pin)*0.0048828125); }

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float VC1(int pin) { return (analogRead(pin)*0.0048828125); }

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ANEXO 2. CÓDIGO ARDUINO CON SHIELD GSM. #include

int led = 6; int input; SoftwareSerial mySerial(2, 3); // define pin 2 y pin 3 para la comunicacion serial con el shield

void setup() { Serial.begin(9600); // Baud rate para comunicacion con el PC mySerial.begin(19200); // Baud rate del shield

//Esta instrucción es para el encendido automático del módulo pinMode(led, OUTPUT); digitalWrite(led, HIGH); delay(3200); digitalWrite(led, LOW); delay(20000); mySerial.print("\r"); delay(1000); //El pin 13 será el control para saber si se envió o no un mensaje. pinMode(13,OUTPUT); digitalWrite(13, LOW);

}

void loop() { input = Serial.read();

// Si se recibe un 49 (1 en ASCII) de parte del PC, se envia un SMS if (input == 49){

mySerial.print("AT+CMGF=1\r");

//Instrución para enviar un SMS

delay(1000); mySerial.print("AT+CMGS=\"+56997590315\"\r"); delay(1000);

//Se indica el número de destino.

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mySerial.print("Sensor 1 Temperatura elevada\r");

//Se añade el contenido del SMS

delay(1000); mySerial.write(26); digitalWrite(13, HIGH); }

// Si se recibe un 50 (2 en ASCII) de parte del PC, se envia un SMS if (input == 50)

{

mySerial.print("AT+CMGF=1\r");

//Instrucion para enviar un SMS

delay(1000); mySerial.print("AT+CMGS=\"+56997590315\"\r");

//Se indica el numero de destino

delay(1000); mySerial.print("Sensor 2 Temperatura elevada\r"); delay(1000); mySerial.write(26); digitalWrite(13, LOW); } }

//Se añade el contenido del SMS

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ANEXO 3. CODIGOS DEL SOFTWARE DE VISUAL BASIC Public Class Form1 Dim Dim Dim Dim

infoIn As String infoOut As String SMScount As Integer SMScountB As Integer

Private Sub Form1_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load infoOut = "" infoIn = "" SMScount = 0 SMScountB = 0 Button2.Enabled = False Button3.Enabled = False Timer1.Enabled = False End Sub 'Elegir puerto del XBEE RECEPTOR Private Sub Button1_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button1.Click ComboBox1.Items.Clear() For Each PuertoDisponible As String In My.Computer.Ports.SerialPortNames ComboBox1.Items.Add(PuertoDisponible) Next If ComboBox1.Items.Count > 0 Then ComboBox1.Text = ComboBox1.Items(0) MessageBox.Show("SELECCIONE EL PUERTO CON EL QUE VA A TRABAJAR") Button2.Enabled = True Else MessageBox.Show("NINGUN PUERTO ENCONTRADO") Button2.Enabled = False ComboBox1.Items.Clear() ComboBox1.Text = (" ") End If End Sub 'Elegir puerto para comunicarse con el MODULO GSM Private Sub Button4_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button4.Click ComboBox2.Items.Clear() For Each PuertoDisponibleA As String In My.Computer.Ports.SerialPortNames ComboBox2.Items.Add(PuertoDisponibleA) Next

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If ComboBox2.Items.Count > 0 Then ComboBox2.Text = ComboBox2.Items(0) MessageBox.Show("SELECCIONE EL PUERTO CON EL QUE VA A TRABAJAR") Button3.Enabled = True Else MessageBox.Show("NINGUN PUERTO ENCONTRADO") Button3.Enabled = False ComboBox2.Items.Clear() ComboBox2.Text = (" ") End If End Sub 'Comenzar a recibir datos de los sensores Private Sub Button2_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button2.Click If Button2.Text = "Conectar" Then SerialPort1.PortName = ComboBox1.Text Button2.Text = "Desconectar" Button2.BackColor = Color.Red Timer1.Enabled = True SerialPort1.Open() ElseIf Button2.Text = "Desconectar" Then Button2.Text = "Conectar" Button2.BackColor = Color.Lime Timer1.Enabled = False SerialPort1.Close() End If End Sub 'Establecer conexión con el modulo GSM Private Sub Button3_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button3.Click If Button3.Text = "Conectar" Then SerialPort2.PortName = ComboBox2.Text Button3.Text = "Desconectar" Button3.BackColor = Color.Red SerialPort2.Open() ElseIf Button3.Text = "Desconectar" Then Button3.Text = "Conectar" Button3.BackColor = Color.Lime SerialPort2.Close() End If

End Sub Private Sub Timer1_Tick(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Timer1.Tick 'Enviar mensaje de peligro via SMS If SMScount = 0 Then If Val(Label4.Text) > 22 Then

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SerialPort2.DiscardOutBuffer() infoOut = "1" SerialPort2.Write(infoOut) SMScount = 1 Dialog1.Show() End If End If If SMScountB = 0 Then If Val(Label19.Text) > 22 Then SerialPort2.DiscardOutBuffer() infoOut = "2" SerialPort2.Write(infoOut) SMScountB = 1 Dialog1.Show() End If End If Label27.Text = infoOut 'Mostrar en pantalla los valores captados por los sensores infoIn = SerialPort1.ReadExisting

If infoIn "" Then 'Codigos para el sensor A If infoIn.StartsWith("SAHR") Then Label5.Text = infoIn.Substring(4) If Val(Label5.Text) > 100 Then Label5.Text = 99.99 End If If Val(Label5.Text) < 50 Then Label10.Text = "SECO!" Label10.BackColor = Color.Orange ElseIf Val(Label5.Text) < 70 Then Label10.Text = "Normal" Label10.BackColor = Color.Yellow ElseIf Val(Label5.Text) < 90 Then Label10.Text = "Humedo" Label10.BackColor = Color.Lime ElseIf Val(Label5.Text) > 90 Then Label10.Text = "Muy humedo" Label10.BackColor = Color.Cyan End If DataGridView1.Rows.Add() DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(0).Value = System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(1).Value = Label5.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(2).Value = "% Humedad Relativa"

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DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(3).Value = Label10.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(3).Style.BackColor = Label10.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount - 2).Cells(4).Value = "Sensor 1" infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() ElseIf infoIn.StartsWith("SAT") Then Label4.Text = infoIn.Substring(3) If Val(Label4.Text) > 35 Then Label11.Text = "PELIGRO!" Label11.BackColor = Color.Orange ElseIf Val(Label4.Text) > 22 Then Label11.Text = "Riesgoso" Label11.BackColor = Color.Yellow 'SMScount = 0 ElseIf Val(Label4.Text) > 10 Then Label11.Text = "Normal" Label11.BackColor = Color.Lime SMScount = 0 ElseIf Val(Label4.Text) < 10 Then Label11.Text = "Frio" Label11.BackColor = Color.Cyan SMScount = 0 End If DataGridView1.Rows.Add() DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label4.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Temperatura" DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label11.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label11.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() ElseIf infoIn.StartsWith("SADC") Then Label6.Text = infoIn.Substring(4)

- 2).Cells(0).Value = - 2).Cells(1).Value = - 2).Cells(2).Value = "°C - 2).Cells(3).Value = - 2).Cells(3).Style.BackColor = - 2).Cells(4).Value = "Sensor 1"

If (Val(TextBox1.Text) - Val(Label6.Text)) > 0.15 Then Label9.Text = "ALTA!" Label9.BackColor = Color.Orange ElseIf (Val(TextBox1.Text) - Val(Label6.Text)) > 0.08 Then Label9.Text = "Media" Label9.BackColor = Color.Yellow 'SMScount = 0 ElseIf (Val(TextBox1.Text) - Val(Label6.Text)) < 0.08 Then Label9.Text = "Normal" Label9.BackColor = Color.Lime 'SMScount = 0 End If DataGridView1.Rows.Add()

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DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label6.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount CO2" DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label9.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label9.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() End If

- 2).Cells(0).Value = - 2).Cells(1).Value = - 2).Cells(2).Value = "mV sensor - 2).Cells(3).Value = - 2).Cells(3).Style.BackColor = - 2).Cells(4).Value = "Sensor 1"

'Codigos para el sensor 2 If infoIn.StartsWith("SSBHR") Then Label18.Text = infoIn.Substring(5) If Val(Label18.Text) > 100 Then Label18.Text = 99.99 End If If Val(Label18.Text) < 50 Then Label14.Text = "SECO!" Label14.BackColor = Color.Orange ElseIf Val(Label18.Text) < 70 Then Label14.Text = "Normal" Label14.BackColor = Color.Yellow ElseIf Val(Label18.Text) < 90 Then Label14.Text = "Humedo" Label14.BackColor = Color.Lime ElseIf Val(Label18.Text) > 90 Then Label14.Text = "Muy humedo" Label14.BackColor = Color.Cyan End If DataGridView1.Rows.Add() DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label18.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Relativa" DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label14.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label14.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() ElseIf infoIn.StartsWith("SSBT") Then Label19.Text = infoIn.Substring(4) If Val(Label19.Text) > 35 Then Label15.Text = "PELIGRO!"

- 2).Cells(0).Value = - 2).Cells(1).Value = - 2).Cells(2).Value = "% Humedad - 2).Cells(3).Value = - 2).Cells(3).Style.BackColor = - 2).Cells(4).Value = "Sensor 2"

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Label15.BackColor = Color.Orange ElseIf Val(Label19.Text) > 22 Then Label15.Text = "Riesgoso" Label15.BackColor = Color.Yellow 'SMScountB = 0 ElseIf Val(Label19.Text) > 10 Then Label15.Text = "Normal" Label15.BackColor = Color.Lime SMScountB = 0 ElseIf Val(Label19.Text) < 10 Then Label15.Text = "Frio" Label15.BackColor = Color.Cyan SMScountB = 0 End If DataGridView1.Rows.Add() DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label19.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Temperatura" DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label15.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label15.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() ElseIf infoIn.StartsWith("SSBDC") Then Label17.Text = infoIn.Substring(5)

- 2).Cells(0).Value = - 2).Cells(1).Value = - 2).Cells(2).Value = "°C - 2).Cells(3).Value = - 2).Cells(3).Style.BackColor = - 2).Cells(4).Value = "Sensor 2"

If (Val(TextBox2.Text) - Val(Label17.Text)) > 0.15 Then Label13.Text = "ALTA!" Label13.BackColor = Color.Orange ElseIf (Val(TextBox2.Text) - Val(Label17.Text)) > 0.08 Then Label13.Text = "Media" Label13.BackColor = Color.Yellow 'SMScount = 0 ElseIf (Val(TextBox2.Text) - Val(Label17.Text)) < 0.08 Then Label13.Text = "Normal" Label13.BackColor = Color.Lime 'SMScount = 0 End If If Val(Label17.Text) < 0.65 Then Label13.Text = "AUMENTO" Label13.BackColor = Color.Orange ElseIf Val(Label17.Text) < 0.7 Then Label13.Text = "Leve aumento" Label13.BackColor = Color.Yellow ElseIf Val(Label17.Text) > 0.7 Then Label13.Text = "Normal" Label13.BackColor = Color.Lime End If DataGridView1.Rows.Add()

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DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount System.DateTime.Now DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label17.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount CO2" DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label13.Text DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount Label13.BackColor DataGridView1.Rows(DataGridView1.RowCount infoIn = "" SerialPort1.DiscardInBuffer() End If End If End Sub End Class

- 2).Cells(0).Value = - 2).Cells(1).Value = - 2).Cells(2).Value = "mV sensor - 2).Cells(3).Value = - 2).Cells(3).Style.BackColor = - 2).Cells(4).Value = "Sensor 2"