Monitorización Medioambiental vía web de una Red de 150

Transcripción

Tema B: Hidrología y Gestión del Agua
Monitorización Medioambiental vía web de una Red de 150
Sensores Inalámbricos en la Comunidad Valenciana
Marcos Martínez Peiró1, Fco. Ballester Merelo2, Héctor Brotons Briva3
1 y 2 Profesores Titulares de Universidad, Universidad Politécnica de Valencia
3Ingeniero de Telecomunicación, Dpto. Técnico-Comercial, empresa BALMART
[email protected]
1 Introducción
La mayor red de sensorización piloto europea cumple su primer año de vida. Desde que el pasado año, la
Consellería de Medi Ambient, Aigüa, Urbanisme i Habitatge de la Comunidad Valenciana firmara un acuerdo
con la empresa tecnológica BALMART, se ha implantado una red de 150 sensores inalámbricos de ultra bajo
consumo en las inmediaciones del paraje natural del Pico del Remedio en la localidad de Chelva. BALMART ha
realizado el proyecto mediante convenios de I+D con la Universidad Politécnica de Valencia, y ha contado con
la colaboración de expertos en sensorización agronómica de DECAGON (USA), en concreto del laboratorio
LAB-FERRER en Cervera. Como resultado, BALMART ha depositado una patente de su sistema en USA,
denominado comercialmente RFreeNET.
Las premisas del desarrollo era conseguir una red que permitiera, sin coste de comunicaciones y con bajo coste
de mantenimiento e instalación, realizar una caracterización edafológica del terreno, describiendo la humedad y
temperatura de los diversos tipos de vegetación del entorno para implantar un novedoso sistema de reforestación
y prevención de incendios forestales. Adicionalmente a las expectativas de la Consellería, la empresa ha definido
un producto comercial de amplia aplicación en riegos de todo tipo de cultivos y en sensorización de todo tipo de
parámetros medioambientales.
Este artículo pretende describir los resultados de la implantación del sistema RFreeNET; inicialmente describirá
la red y los equipos de comunicaciones que la conforman, posteriormente indicará los tipos de sensores que está
aplicando junto con el resumen del proyecto de implantación de 200 sensores que se realiza junto a Consellería
de Medio Ambiente. El artículo finalizará con las conclusiones oportunas y una muestra de resultados vía web
por parte de los usuarios (desde particulares a grandes corporaciones). El artículo se acompaña de fotografías y
gráficos obtenidos de la aplicación instalada en Chelva y en cultivos de la provincia de Lleida.
2 Descripción de la red RFreeNET
2.1 Funcionalidad Hídrica y Estructura Física
La red recibe datos cuatro veces al día de los 150 nodos instalados en monte. Cada sensor muestrea Tª y Hª
ambiente y, un porcentaje del 10% de los nodos ofrece también Tª y Hª enterradas cada tres segundos,
almacenando valores máximos, mínimos y medios de cada hora, así como los gradientes programados en remoto
por el usuario. La información es enviada a la web para su actualización 4 veces al día en el caso de la aplicación
masiva realizada con Consellería. Para el caso de ahorro hídrico en riegos, la actualización de la información se
realiza cada 5 minutos, para controlar al máximo las necesidades de riego de los cultivos en tiempo real. En
ambas aplicaciones el sistema envía alarmas inmediatas por gradiente de Tª y/o Hª sin esperar al tiempo de
transmisión. Estas alarmas son mostradas en la aplicación web y pueden ser enviadas con mensaje SMS o correo
electrónico a las direcciones y teléfonos de emergencias preprogramados. En el caso de prevención y detección
de incendios forestales, la aplicación remota en servidor se encarga de comparar las temperaturas recibidos por
cada nodo y generar un mapa térmico del terreno, enviando alertas si se superan los gradientes máximos
establecidos. Asimismo se estudia la adaptación del período de reforestación al punto óptimo de Tª y Hª
enterradas y ambiente, en función del tipo de matorral existente.
La figura 1 muestra los equipos que conforman la red de sensorización inalámbrica.
0m
80
Figura 1
Esquema simplificado de la red de sensorización.
La figura 2 muestra una aplicación distinta, basada en sensar de forma inalámbrica hasta 4 niveles distintos de
humedad y conductividad eléctrica enterradas. Los cuatro nodos mostrados en la figura envían la información
desde los cultivos hasta el concentrador de datos (Gateway) vía enlace radio en la banda libre de 2,4GHz con
protocolo basado en el estándar 802.15.4 y capa de red diseñada y patentada por BALMART para obtención de
enrutamiento dinámico y bajo consumo.
La figura 3 muestra la aplicación final con la comunicación de los datos del Gateway hasta el receptor de datos
vía GSM/GPRS o por internet de forma bidireccional. El servidor se encargará de mantener los datos de los
sensores de cada uno de los clientes o plantaciones en los que se instale un Gateway. Los clientes finales,
usuarios del sistema, puede estar distribuidos en cualquier PC del mundo. Mediante acceso a una página web
privada obtienen los dataos en tiempo real de su instalación, pudiendo imprimir, exporta o procesar de forma
independiente los mismos, así como interactuar con el sistema para activar el sistema automático de riego que
pudiera estar instalado.
Los equipos que conforman la red se detallan en la siguiente tabla, junto con algunas de sus características más
destacadas:
Tabla 1 Equipos de la red de sensorización inalámbrica RFreeNET.
Nombre
Descripción
RFIX
Nodo sensor de
radiofrecuencia
Gateway
Concentrador de
comunicaciones
Receptor
Equipo receptor
de datos remoto.
Figura 2
Características básicas
Alimentación a batería o panel solar, hasta 4 entradas de sensado, sensores
DECAGON, contadores de riego por pulsos, entradas/salidas digitales, 420mA. Permite crear redes mesh con otros sensores, encaminando los
datos y actuando como repetidor de nodos vecinos hasta que los datos
alcancen el gateway. Trabaja en la banda ISM de 2,4GHz, bajo estándar
802.15.4
Alimentado a 220V o baterías 12V. Soporta entrada de datos de nodos
radio a 2,4GHz, soporta cientos de nodos en un solo equipo. Software de
red. Control y puesta en marcha de equipos mediante software local y
gestión de datos remota o local. Entradas 4-20mA, contador de pulsos,
conexión pluviómetro, veleta… Comunicaciones Ethernet, GSM/GPRS.
Carril DIN.
Almacena datos de cientos de clientes Gateway en paralelo. Gestión de
Base de Datos de clientes. Software encriptado y autentificado. Procesado
de datos y gráficas, mapas y cartografía de cada cliente, mantenimiento de
información 365 días / 24h. Acceso remoto vía web de los clientes.
Ejemplo de 4 nodos sensores inalámbricos y un Gateway para aplicaciones de regadío. Cada nodo sensa 4
niveles distintos de humedad y CE enterradas
Figura 3
Sistema completo con comunicación desde Gateways a receptora de servicio. Los clientes acceden de forma
remota y privada a sus datos
2.2 Software de comunicaciones y datos
El software utilizado para procesar los datos se ha denominado comercialmente EcoLoader. Este software
permite la programación, configuración, gestión y monitorización de la red de sensorización inalámbrica
medioambiental RFreeNET. El software es gratuito y fácilmente descargable desde la web de BALMART
www.balmart.es como cliente. Ecoloader funciona bajo sistema operativo Microsoft Windows y se ejecuta de
forma local, aunque existe una versión de acceso vía web que es, probablemente la mas atractiva, ya que libera al
usuario final de dependencias y mantenimiento de un PC en oficinas.
Ecoloader monitoriza exclusivamente un Gateway que puede ser utilizado con cientos de nodos RFIX,
permitiendo tanto la instalación de la red como la operación (sensorización y telemetría) de múltiples sensores
conectados con cada nodo RFIX. Los siguientes párrafos destacan las dos funcionalidades de ecoloader.
Ecoloader Instalación
• Se ejecuta mediante conexión del PC con el Gateway vía puerto serie RS232.
• Programa una configuración inicial al Gateway.
• Realiza lecturas de parámetros del Gateway una vez programado.
• Integra un sistema de plantillas para almacenar configuraciones y facilitar su reutilización.
• Realiza una monitorización básica para comprobar el correcto funcionamiento de la red
indicando:
o información de consumos y baterías.
o coberturas de nodos.
o fechas y horas de las últimas recepciones de datos de nodos y Gateway.
Ecoloader Operación
• Se ejecuta vía conexión del PC al Gateway por red Ethernet.
•
•
•
Realiza la monitorización constante de la red, llevando a cabo un registro de eventos en
formato Excel para su fácil portabilidad y tratamiento.
Realiza lecturas y modificaciones de parámetros de nodos y Gateway.
Interactúa con la red, reiniciando los nodos o forzando envíos de medidas y estado.
3 Tipos de Sensores
Los sensores utilizados en el proyecto presentado son:
a) Sensor de temperatura y humedad relativa ambiente, incluido en el encapsulado del nodo de
sensorización inalámbrica RFIX.
b) Sensor de Temperatura y Humedad de Suelos del fabricante DECAGON. Las sondas ECH2O de
Decagon Devices Inc.,(Pullman, WA—USA) se emplean en todo el mundo para medir la humedad del
suelo. Las sondas ECH2O aúnan los últimos avances en electrónica y el empleo de materiales
resistentes con el fin de poder monitorizar a largo plazo y con precisión el contenido de agua. Por este
motivo y por su bajo coste se pueden obtener medidas en varios puntos dentro de una parcela y a
diferentes profundidades. Las sondas ECH2O son sensores de tipo capacitivo que miden la constante
dieléctrica o permisividad del suelo o del medio para posteriormente correlacionarlo con su contenido
volumétrico de agua (Volumetric Water Content, VWC). La temperatura (T) y salinidad son los
factores que más afectan a las medidas de humedad del suelo. El circuito de las sondas ECH2O
minimiza el efecto de los cambios de T y su recubrimiento minimiza los de la salinidad. Las sondas se
conectan vía prensa-estopas a los nodos RFIX, admitiendo hasta 4 por nodo y manteniendo el grado de
protección deseado. El software RFreeNET adapta las ecuaciones de las medidas de las sondas y
permite visualizar los datos, imprimirlos e importarlos a otras herramientas de análisis.
c) Pluviómetros, veleta, sensores de luminosidad de diversos fabricantes. Se conectan a los nodos
inalámbricos mediante las entradas de contadores de pulsos, serie e I2C.
4 El proyecto de Prevención de Incendios
4.1 Objetivo
Los datos meteorológicos son una herramienta básica para la toma de decisiones en gestión forestal y en la
prevención de incendios forestales. Así los valores de temperatura y humedad son un componente de la mayor
parte de los índices de riesgo de incendio forestal existentes. En la actualidad está información es suministrada
de manera fundamental por la red de estaciones del Instituto Nacional de Meteorología, reforzada en el caso del
índice diario elaborado por el Sistema Integrado de Gestión de Incendios Forestales por los datos de la red de
Observatorios Forestales de Prevención de Incendios Forestales de la Consellería de Medio Ambiente, Territorio
y Vivienda. Sin embargo, si bien las lecturas meteorológicas son una información de gran valor, existe una
carencia no solucionada a la fecha, que es la obtención de valores de temperatura y humedad a ras de suelo e
incluso del primer horizonte edáfico, datos que permitirían obtener un valor real del grado de sequía y del estrés
hídrico, valor que al incorporar el efecto protector de la cobertura vegetal es un complemente ideal de los
actuales sistemas de teledetección por satélite.
La red prevista ubica los sensores y gateway a partir de una red ya existente y consolidada como es la de los
observatorios forestales, se plantea un sistema en estrella de tal manera que a partir de un Gateway situado en el
observatorio se extiende un “hilo” de sensores en cada punto cardinal hasta un radio de 5 km (se ha considerado
que esta distancia permite un cómodo mantenimiento desde el observatorio).
4.2 Escenario
El escenario escogido para la realización de la instalación de la prueba piloto se trata del Pico del Remedio
situado en la localidad valenciana de Chelva. En dicho pico existe un puesto de vigilancia permanente donde se
encuentra un operario de la Generalitat (figura 4).
En una primera aproximación, la red instalada tiene una topología en estrella con cuatro líneas o brazos. En el
centro de dicha estrella se encuentra el elemento Gateway, encargado de la recepción y envío de los datos
generados por los nodos instalados. La figura 5 muestra una captura de pantalla de la aplicación funcionando con
parte de la instalación realizada. Un ejemplo de instalación de nodo puede observarse en la figura 6.
Figura 4
Figura 5
Paraje natural de la red de sensorización inalámbrica para la prevención de incendios forestales
Red de sensorización inalámbrica instalada en Chelva por BALMART con la colaboración de la consellería
de medio ambiente
Figura 6
Ejemplo de nodo sensor inalámbrico instalado
El diseño anterior representa la distribución “teórica” de los sensores en el territorio atendiendo únicamente a los
parámetros de mantenimiento de la operatividad de la transmisión, sin embargo el objeto principal del proyecto
es obtener una monitorización real del mayor número posible de “escenarios”, para ello en la instalación de los
sensores “in situ” se deberá seguir un protocolo, de tal manera que para cada uno de los hilos se instalará un
sensor cada vez que se produzca uno de los hechos siguientes:
1. Un cambio en las características principales de cobertura de la vegetación (como referencia se partiría
de los modelos de combustible del USDA Forest3 y de los tipos estructurales del PGOF4).
2. Un cambio en las características edáficas (a partir del mapa de suelos en elaboración por CIDE)
3. Superar los 90 metros de separación desde otro sensor o del gateway
Los sensores se instalarán únicamente en terreno forestal, convenientemente disimulados sobre el terreno,
anotándose sus coordenadas UTM y realizando una foto referenciada del punto exacto de su ubicación.
5 Resultados obtenidos. Conclusiones
La figura 7 muestra una captura de pantalla de la aplicación en un navegador web. Hoy en día se están instalando
nodos con panel solar para realizar mínimos mantenimientos cada 3 o 5 años. Asimismo se dotan de actuadores y
comunicaciones con programadores de riego para potenciar las capacidades del sistema.
En una primera aproximación, la red instalada tiene una topología en estrella con cuatro líneas o brazos. Estas
líneas no son rectas debido a la abrupta orografía de la zona, los nodos han sido ubicados en puntos en donde el
acceso es de complejidad fácil-media. Cada una de estas líneas intenta alcanzar al menos uno de los siete suelos
significativos que se pretendían caracterizar desde el punto de vista de humedad enterrada: Leptosoles I,
Luvisoles II, kastanozems IIIa, kastanozems II, Calcisoles IV y Regosoles V, Regosoles Vb.
Los datos recogidos actualmente ascienden a un total de 168.000 registros aproximadamente, correspondientes a
los envíos de medidas cada 6 horas de los 133 nodos existentes. Estos datos han sido exportados a una hoja de
cálculo con la que se han realizado las representaciones tanto de humedad como de temperatura ambiente. A
continuación se muestran algunas gráficas de nodos de la línea 1 y 7 (figura 8).
Figura 7
Figura 8
Navegación web de cliente final. Menú visualización de mapa de instalación. Medidas de 3 sensores
enterrados de Hª y Tª por nodo sensor. Área de trabajo en Chelva con 150 nodos instalados
Datos recibidos en el servidor central por uno de los nodos de la instalación. Gráficas relativas a Humedad
Ambiente a ras de suelo
Se espera la futura implantación (septiembre a diciembre de 2009) de nodos solares y las pruebas de envío de
SMS y alertas por gradiente operativas. Para la campaña de verano de 2010 Consellería cuenta con tener
resultados de esta prueba piloto y plantear las ampliaciones futuras del sistema.
6 Agradecimientos
Los autores agradecen la colaboración del departamento de prevención de incendios forestales de la Consellería
de Medio Ambiente de la Generalitat Valenciana, que nos ha permitido realizar la experiencia piloto y nos dictó
los requerimientos de la misma; así como al laboratorio de la empresa LAB-FERRER que ha aportado su
conocimiento en sensórica y análisis de humedades en diversos terrenos y cultivos.

Monitorización Medioambiental vía web de una Red de 150

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