CARACTERIZACIÓN DE SENSORES IMPLEMENTADOS EN UNA BOYA MARINA

César Ortega-Corral2,1

, Manuel Enoch Cardona Contreras1, Luis E. Palafox

1, José Jaime Esqueda Elizondo

1, J. Antonio García-

Macías3, Leocundo Aguilar

1, Jaime Sánchez-García

4, Israel Chon-Aguiar

1,

Ricardo Guerra Frausto1, David Alonso Dueñas Delgado

2, Jesús Enrique López Montoya

2, Ana Cristina Valenzuela-León

1

1Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería.

Universidad Autónoma de Baja California.

Calzada Tecnológico 14418, Mesa de Otay, Tijuana, B.C., CP22390

+52 (664) 6821 033 – 5800

Correo-e: cesar.ortega@uabc.edu.mx, lepalafox@uabc.edu.mx, jjesqueda@uabc.edu.mx

2Tecnologías de la Información y Comunicación

Universidad Tecnológica de Tijuana

Km. 10 Carretera Libre Tijuana-Tecate,

Fracc. El Refugio. Quintas Campestre. Tijuana, B.C., C.P. 22650

Tel +52 (664) 969 9700

e-mail: cesar.ortegac@uttjiuana.edu.mx

3Depto. De Ciencias de la Computación.

4Depto. de Electrónica y Telecomunicaciones

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada,

Carr. Ensenada–Tijuana No. 3918, Zona Playitas, Ensenada, B.C. 22860. México

+52 (646) 175 0500

e-mail: jagm@cicese.mx , jasan@cicese.mx

RESUMEN

Se presenta la validación de los sistemas de medición de

temperatura, humedad relativa (HR) y pH del agua, que se usan en

una boya inalámbrica para el monitoreo del hábitat marino. Sensores

de bajo costo se conectan a dos tipos de sistema digital: (1) a un

transceptor inalámbrico re-configurable, con entradas

analógico/digitales y envío automático; y (2) a un microcontrolador

con entradas A/D para el pre-procesamiento de las muestras y un

radio de largo alcance para la transferencia subsecuente. Dado el

ambiente húmedo y hostil que presenta el mar, se hicieron pruebas de

los sensores de temperatura y de humedad relativa con diferente

encapsulamiento. Para el caso del electrodo de pH, su respuesta se

filtró digitalmente en tiempo real para reducir la variabilidad de la

señal resultante ante condiciones estacionarias de pH. A partir de los

diferentes experimentos, se determinaron los tiempos de respuesta

para estimar los momentos adecuados para un muestreo confiable

después de energizar al sistema de sensores.

Palabras clave: sensores, instrumentación, filtrado digital.

ABSTRACT

It is presented a validation of systems for measurement of water

temperature, relative humidity (HR) and pH , that are used in a

wireless buoy for monitoring the sea environment. Low cost sensors

are connected to two types of digital systems: (1) a wireless

reconfigurable transceiver, with analog/digital inputs and automatic

dispatch; and (2) a microcontroller with A/D inputs for preprocessing

of signals and a long distance transmitter for subsequent transfer.

Given to the humid and hostile environment at sea, tests were made

on temperature and relative humidity sensors using different casings.

For the pH electrode, its response was digitally filtered in real time in

order to reduce variability of the resulting signal in the face of

stationary conditions of pH. From the different experiments, the

response time was determined in order to estimate the adequate

instants for a dependable sampling after energizing the sensors

system.

Keywords: sensors, instrumentation, digital filtering

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad la investigación y el desarrollo de redes

de sensores está en auge [1-3]; mucho se está trabajando sobre

temas de enrutamiento y entrega de datos, pero poco se ha

publicado sobre la caracterización y confiabilidad de los

sensores en condiciones hostiles. Aunque algunos podrían

decir que el tema cae dentro del área de instrumentación, es

pertinente para quienes requieren implementar una red real,

que transporte datos correctos, que opere en lugares de difícil

acceso, lo cual hace impráctico detectar fallas in-situ o

sustituir los sensores en campo [4]. Por lo que debe haber

plena seguridad que los sistemas de sensores y

acondicionamiento funcionen con un grado aceptable de error

para su operación indefinida.

En este caso, la red inalámbrica de sensores se compone de

dos tipos de sistemas: (1) nodos terminales (end-points, EP) de

baja potencia y (2) nodos intermediarios (cluster-head, CLH)

de alta potencia, ambos se aplican para el monitoreo marino;

por lo que la instrumentación que se integró para tal propósito

se coloca en gabinetes sobre flotadores o boyas que sirven de

plataformas para la conexión de sensores, electrónica, radios y

antenas para la comunicación de los datos adquiridos

digitalmente, así como los sistemas de alimentación eléctrica y

baterías [5]. En la figura 1.(a) y figura 1.(b) se muestran los

esquemas generales de una boya EP y un boya CLH,

respectivamente, con sensores atmosféricos y sensores

sumergibles. Aunque no es parte de este ensayo, también se

incluyen arreglos de celdas foto-voltaicas que permiten

recargar baterías para operación prolongada.

El encapsulamiento de los sensores es imprescindible en

aplicaciones marinas, con la desventaja de que les resta

sensibilidad y afecta adversamente a la velocidad de respuesta.

Parte de estas cuestiones es lo que aquí se estudia y se

experimenta. Otro asunto de la confiabilidad en las mediciones

tiene que ver en la forma como se pre-procesa la información

y se entrega al usuario. En este caso por medios inalámbricos,

por lo que aquí hacemos la caracterización de respuesta de

todo el sistema de sensores con acondicionamiento,

adquisición y envío inalámbrico.

2. SENSORES DE TEMPERATURA

Aquí se aprovecha al sensor activo de temperatura TMP36,

por su rango dinámico de salida y dado que es capaz de operar

con alimentación de 3V [6]. Sus características se muestran en

la tabla 1. En este caso, estos sensores se usan en los EP, el

sistema digital principal al que fueron conectados es el

transceptor XBee Pro de 2.4GHz, que dispone de seis

convertidores analógico/digitales (ADC) de 11 bits con

entradas de hasta 3.3V [7].

Tabla 1. Características del TMP36

Parámetro Valores

Voltaje de operación 2.7 a 5.5v, 7Vmáx

Factor de escala 10mV/oC

Transferencia ToC = 100 (Vo - 0.5)

Vo = 0.75V @ 25oC

Exactitud ±2°C

Linealidad ±0.5°C linearity (typ)

Rango de temperaturas −40°C to +125°C

Corriente nominal Menos de 50 μA

Tiempo para lograr T pico 10 a 40 seg

Tasa de rampa 3oC/seg

Dadas sus características, se decidió amplificar la respuesta

de los TMP36 con una ganancia de A=2 usando el

amplificador de instrumentación integrado AD620 [8], tal que

el voltaje adquirido por el XBee sea de 1.5V cuando T = 25oC

3. SENSOR HIH4030

En este proyecto se usó el sensor activo de humedad relativa

HIH4030 por ser pequeño y de buena precisión. Su fabricante

proporciona una ecuación de linealización del voltaje de

salida, la cual depende de la temperatura ambiente y el voltaje

que se le alimenta [8]. En la tabla 2 se muestran las

especificaciones del HIH4030.

Las ecuaciones de salida, HR y compensación de

temperatura a la que se expone el HIH4030 son las siguientes.

( ) (1)

(

) (2)

(3)

La ec. 2 se obtiene despejando la HR de la ec. 1. Y la ec. 3

sirve para compensar contra temperaturas diferentes a 25oC.

4. PH Y EL ELECTRODO PHE2114-NB

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una

disolución, es decir, indica la cantidad de iones de hidronio

(H3O+) presentes. El concepto de pH es único entre los valores

fisicoquímicos, del cual se define como:

pH = -log10(aH+) (4)

El rango completo de pH se mide de 0 al 14, y se interpreta

como:

Ácido: 0 a 6.9

Neutro: 7

Alcalino: 7.1 a 14

Para una medición precisa de pH se mide la la diferencia de

potencial; esto es básicamente una batería, a la cual se

conectan dos electrodos, cada uno inmerso en su solución

respectiva y unidos por un puente de sal. El valor de pH se

define para soluciones acuosas, de acuerdo a la convención de

Bates-Guggenheim [10].

El electrodo combinado que aquí se emplea es el PHE2114-

NB, de Omega Engineering Inc., sus aplicaciones son de

laboratorio y con un protector de plástico se usa en procesos

industriales. Una bondad del PHE2114-NB es que incluye

preamplificadores integrados para reducir su impedancia de

salida, lo que facilita conectarlo directamente a equipos que

acepten señales de voltaje del orden de los mili-volts, con una

impedancia no mayor de los 10 kΩ. El electrodo proporciona

+414.1 mV de salida al exponerlo a 0 pH y -414.1 mV en 14

pH, esto significa que se tiene un incremento de 59 mV por

cada unidad de pH. Así mismo, opera con ± 1.5 a 9 Vdc,

consumiendo una corriente de 0.5 mA; y trabaja en rango de

temperatura de 0 a 100ºC. Cumple con varios de los

Tabla 2. Características del HIH4030.

Parámetro Valor Unidades

0% RH to 59% RH -5/+5 % HR

60% RH to 100% RH -8/+8 % HR

Precisión -3.5/+3.5 % HR

Histérisis 3 % HR

Repetibilidad ±0.5

Tiempo de elevación 70 máx ms

Voltaje de alimentación 4 a 5.8 Vdc

Consumo de corriente 200 a 500 μA

Rango 0 a 100 % HR

(a) (b)

Figura 1. Boyas marinas (a) nodo End-point. (b)

nodo CLH.

parámetros del agua de mar. Aquí se optó por amplificar la

señal de salida del PHE2114 usando el amplificador de

instrumentación AD620 con una ganancia de 2.1864 con el fin

de aumentar el rango dinámico hasta los 5V con una ventana

de pH 7 al pH 10, esto es dado que el agua marina tiene un pH

característico ubicado entre 7.3 a 8.4 pH.

5. PRUEBAS Y RESULTADOS

Caracterización de sensores de temperatura

En la figura 2 se presenta la instalación experimental para

determinar la respuesta del sensor de temperatura TMP36

conectado a un nodo terminal (conocido como end-point, EP)

con una tasa de muestreo de 1 muestra/segundo.

El encapsulamiento de sensores de temperatura se hizo con el

propósito de poder sumergirlos en el agua marina.

Aprovechando la instalación, también se probaron los sensores

de humedad relativa del aire HIH4030 para verificar el

software de captura y envío usando los protocolos de

aplicación del XBee hacia la estación base RCM4300 para la

transferencia de los datos a una computadora, donde se ejecuta

un programa servidor para almacenamiento final [12]. El

experimento consistió determinar la respuesta al escalón del

TMP36, llevando el sensor de una temperatura baja a otra

mayor en un intervalo ambiental grande.

En un caso de estudio, el agua en el tanque (fig. 2) se

controló con un set-point de 25oC, esto se codificó en un

algoritmo para el controlador RCM4300, requiriendo se le

conectaron sensores de temperatura de monitoreo y referencia,

así como la conexiones para señalizar el control ON-OFF del

calefactor sumergido en el agua del tanque, con una histéresis

del 2.5%. Lo que interesó determinar fue el tiempo de

respuesta del sensor encapsulado TMP36 por lo que, para

establecer las condiciones iniciales, lo colocamos en un

recipiente con agua y hielos hasta lograr la temperatura de

0oC. El ejercicio correspondió en llevar el TMP36 del agua

helada al agua a 25oC en menos de un segundo, por lo que fue

necesario hacer múltiples repeticiones para aproximar un buen

promedio, en la figura 3 se muestra la mediana de cinco

repeticiones. El tiempo de elevación en la mayoría de las

corridas del experimento fue de 40 segundos logrando el

estado estable a los 100 segundos, lo que indica que el TMP36

encapsulado y sumergido en agua requiere menos de un

minuto para obtener una medida confiable ante un cambio

amplio de temperatura, en este caso de 0oC a 25

oC.

Caracterización del sensor HIH4030

Con lo que respecta HIH4030, en el experimento de la

figura 2, la idea fue probar las ecuaciones y los algoritmos

para determinar HR. En la figura 4 se muestra una respuesta

promediada del HIH4030 operando en el experimento

mencionado.

Al observar la salida del HIH4030, el interés se centró en

su respuesta al ser energizado desde cero bajo una condición

estacionaria de HR. Por lo que en la figura 4 se observa que se

requieren más de 30 segundos para llegar al estado estable.

Esto implica que si un sistema de monitoreo usa este sensor, y

se lleva de desconexión completa a conexión, va a requerir

medio minuto para entregar un valor confiable.

Para probar los sensores de HR en rangos amplios,

instalamos una cámara de humedad usando un recipiente de

plástico y un dispositivo nebulizador. En la figura 5 se observa

dicha infraestructura. Este arreglo de la caja al revés con el

tubo nebulizador, permite emular las condiciones húmedas y

saladas del aire marino generando vapor frío. Esto se logró al

llenar el recipiente nebulizador con agua del mar (obtenida

localmente) y al accionar el compresor de aire con lo que se

crea un ambiente similar a la neblina marina con aire saturado

al 100% de HR.

Figura 4. Valores medidos por el HIH4030, desde

estar sin energizar en t=0 y con Vcc en t>0.

Figura 3. Tiempos de respuesta del TMP36

encapsulado.

Figura 2. Sistema para caracterizar sensores de

temperatura inmersos en agua.

En la figura 6, se observa un esquema conceptual del sistema

para caracterizar la respuesta del HIH4030 dónde la

comunicación de los datos se hace por medios inalámbricos.

Esto se justifica dado que dichos sensores de HR se conectan a

sistemas digitales conocidos como Arduino Mega [13], a

cuales les conectamos radios de largo alcance de 900MHz.

Esta integración es para que operen abordo de boyas marinas

y que transmitan los datos a través de los radios a una estación

base remota, que a su vez envía la carga útil a un sistema de

bases de datos o repositorio final.

En la figura 7 se muestran dos respuestas típicas que entregó

el HIH4030 con encapsulamiento. Notando que el HIH pierde

sensibilidad ser encapsulado, el cual actúa como filtro paso

bajas afectando su tiempo de elevación de la respuesta al

escalón. En este caso, para propósitos de encapsulamiento,

usamos tubos de plástico de media pulgada, inicialmente con

orificios circulares (respuesta azul, fig. 7) notando que con

orificios en forma de ranura (respuesta verde y roja, fig. 7) el

aire aparentemente fluye mejor y el tiempo de la respuesta es

más corto comparado con orificios circulares que dificultan el

flujo del aire.

A partir de los resultados, con encapsulamiento ranurado se

logró un tiempo de respuesta de menos de 190 segundos al

registrar un incremento del 58% al 100% de humedad relativa,

y con encapsulamiento con perforaciones circulares tardó 400

segundos. Al abrir la cámara de humedad, el aire regresó al

58% de humedad relativa tomando un tiempo equivalente para

lograrlo, dependiendo del tipo de encapsulado, lo cual afectó

la sensibilidad y tiempo de respuesta de los dispositivos

sensores de HR.

Caracterización del Electrodo Combinado de pH

Con el propósito de determinar la respuesta del electrodo

de pH contra referencias fijas, se hicieron mediciones iniciales

de soluciones conocidas como buffers que tienen pH

constante, específicamente de pH 7 y pH 10. En la figura 8 se

muestra el esquema conceptual del sistema de prueba.

Después de medir la diferencia de potencial proporcionada

por el electrodo, empleamos la ecuación (5) para determinar el

pH a partir del voltaje de salida del electrodo.

pHX = (ADC VREF)/(G m 1024) + 7 [pH] (5)

Donde pHx es el valor calculado, Vout es el voltaje registrado

por el multímetro a la salida del AD620, G es la ganancia del

AD620, y m es el escalar 2.3026RT/F.

En la figura 9 se presenta el ensamble de medianas de pH 7

obtenidas de los valores crudos entregados por el PHE2114 sin

calibrar, se observa un efecto leve de filtrado con disminución

de su variancia.

Si se toma la media (µ) y la variancia (σ

2) de las lecturas

crudas sin calibrar de buffer 7, por cada grupo de 100

muestras, se obtienen los siguientes resultados:

µ = [7.4838 7.4691 7.4503 7.4404 7.4312 7.4234]

Figura 9. Medianas de pH 7 vs. valores crudos.

Figura 8. Sistema para caracterizar sensores de pH.

Figura 7. Comparación de tiempos de respuesta del

HIH.

Figura 6. Comunicación de los valores medidos

usando un nodo inalámbrico.

Figura 5. Cámara de humedad usando un

nebulizador.

σ2 = [0.0231 0.0045 0.0040 0.0036 0.0042 0.0044]

Después de haber incluido un algoritmo de calibración, para

ajustar la respuesta a pH 7, se probo de nuevo el sistema,

obteniendo la respuesta de la figura 10. El experimento

presentó una perturbación a los 40 segundos atribuido a falsos

contactos al agitar el sensor. Aun así, el valor promedio de la

respuesta se estabilizó alrededor de pH 7.

Para reducir la variabilidad en la medida del pH, y hacer un

ajuste adicional, se decidió implementar un filtro digital IIR

con la siguiente ecuación diferencia [14].

yn = k1yn-1 + k2xn (6)

Usando Matlab, determinamos los coeficientes k1 = 0.9 y k2

= 0.1 para que el filtro sea paso bajas con una frecuencia de

corte normalizada en 0.01.

Dicho algoritmo recursivo se implementó en el

ArduinoMega con el cual se obtuvo el resultado que se

muestra en la figura 14. Los valores respectivos después del

filtrado de media y variancia al medir el buffer 7, fueron los

siguientes: µ = [7.6288 7.0258 6.9727 6.9375 6.9276]

σ2 = [0.4400 0.0013 0.0014 0.0012 0.0019 0.0012]

Las medias tienden a valores ligeramente debajo de pH 7 y

la variabilidad se redujo a una variancia de 0.0012 con el filtro

IIR anterior. En la figura 15 se muestran los valores medidos

sin calibrar de la referencia de pH 10 donde se superponen los

valores resultantes de las medianas de cada 10 muestras. Los

resultados antes y después de calibrar y filtrar fueron similares

al medir con el buffer de pH 7. Después de calibrar y filtrar las

mediciones de pH 10 se obtuvo el resultado de la figura 16.

Antes del filtrado se obtuvo una desviación estándar

equivalente a los 0.25 pH, después del filtrado se redujo a 0.08

pH. Además, el filtro IIR causó una disminución de la

variabilidad de la respuesta de pH, pero también provocó una

desviación de 10 a 10.1 del pH medido. Esto significa que el

proceso de calibración inicial con los datos crudos, debe

repetirse usando las medianas de la salida del filtro digital en

por lo menos dos puntos de pH (7 y 10), esto es para

compensar contra la desviación exhibida ajustando la

pendiente de la recta que describe la diferencia de potencial

que proporciona el electrodo de pH.

Por último, al duplicar el orden del filtro digital y después de

determinar los nuevos pesos, en la figura 17 se presenta el

resultado de filtrar así las medianas. Esto redujo la

variabilidad en menos de 0.005 unidades de pH, aunque siguió

presentándose la desviación de +/-0.1.

A partir del trabajo realizado quedan varios pendientes para

mejorar la medición, tales como:

• Recalibrar las mediciones usando medianas a la

salida del filtro IIR.

• Determinar el orden óptimo del filtro.

• Probar con filtros de respuesta finita al impulso de

promedio móvil.

Figura 16. Medición del buffer pH 10 después del

filtro IIR.

Figura 15. Medianas de pH 10 vs. valores crudos.

Figura 14. Medición del buffer pH 7 después del

filtro IIR.

Figura 10. Medición del buffer pH 7 después de

calibrar.

6. CONCLUSIONES

Cuando se trata de sensores para aplicaciones marinas se

piensa en sistemas de alto costo porque se cree que deben

tener una precisión elevada y con encapsulados especiales

para resistir la condiciones adversas del hábitat. Esto es

parcialmente cierto, pero día a día el proceso para fabricar

sensores se hace más eficiente por lo que con el tiempo los

costos han bajado. Y en ocasiones es muy relativo qué tanta

sensibilidad y precisión se requiere de un sensor; es el caso de

los sensores de temperatura, pues la temperatura del agua

cambia lentamente por lo que sensores activos como el LM35

o el TMP36 se pueden considerar adecuados y prácticos dada

su respuesta lineal. Por otro lado, la humedad relativa puede

ser una variable ambiental con el potencial de cambiar entre

valores extremos en poco tiempo, especialmente en zonas

costeras como las de Baja California.

En este trabajo fue de interés la reducción de la variabilidad

de la salida del electrodo de pH, así como de su desviación y

deriva. Con un filtro modesto operando en tiempo real fue

posible reducir en un 90% tal variación, quedando pendiente

el tema de desviación que puede corregirse por software

durante un proceso completo de calibración. En cualquier

caso, estos primeros pasos permiten determinar tiempos de

respuesta y grado de error aún después de ajustes y filtrados.

AGRADECIMIENTOS

Deseamos agradecer al Dr. Manuel Moisés Miranda

Velasco, quién motivó la caracterización inicial como parte de

su curso de Instrumentación que imparte en la Maestría y

Doctorado en Ingeniería y Ciencias en la Facultad de

Ingeniería, Arquitectura y Diseño de la Universidad

Autónoma de Baja California unidad Ensenada, México.

7. REFERENCIAS.

[1] C. Townsend, S. Arms. Wireless Sensor Networks: Principles and

Applications, Sensor technology handbook, 2005, 11, 6, Publisher:

Newnes, pp. 575-589. [2] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, y E. Cayirci. A Survey on

Sensor Networks. IEEE Communications Magazine. August 2002.

[3] A. Boukerche. Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Network. Book Ed. John Wiley & Sons Inc. 2009.

[4] G. V Merret y Y. Kheng Tan. Wireless Sensor Networks: Application-

Centric Design, InTech. 2010. [5] C. Albaladejo, P. Sánchez , A. Iborra, F. Soto, J. A. López y R. Torres.

Wireless Sensor Networks for Oceanographic Monitoring: A Systematic

Review, Sensors journal, 19 Julio 2010.

[6] Analog devices Inc., Low voltage temperature sensors

TMP35/TMP36/TMP37, Data sheet, Norwood, MA, USA. 2010. [7] Digi Inc. XBee™/XBee–PRO™ 2.4 GHz OEM RF Modules, Product

Manual v1.xCx – 802.15.4. Digi Inc. USA, 2008.

[8] Analog Devices Inc. Low cost, low power instrumentation amplifier AD620, Data sheet, Norwood, MA, USA, 1999.

[9] Honeywell International Inc., HIH-4000 series humidity sensors, Data

sheet, Minneapolis, MN, USA, 2008. [10] U. C. Wu, W. F. Koch y R. A. Durst, Standard Reference Material:

Standardization of pH measurements, NBS Special Publication 260-53,

1988 Edition. [11] Omega Engineering, Inc., pH combined electrodes, Product sheet, USA.

[en línea] disponible

http://www.omega.com/Green/pdf/PHE6300_5300_2114_1304.pdf , sitio visitado el 7/04/2013.

[12] --. Digi International Inc. Rabbit Core RCM4300. User’s Manual.

©2007–2009. [13] --. Arduino microcontrollers. [en línea], disponible

http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega. sitio visitado 2013.

[14] R. G. Lyons. Understanding Digital Signal Processing. 3rd ed. Prentice-Hall., 2011.

Figura 17. Reducción de variabilidad de las

medias al medir el buffer 10.