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RAE
1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado realizado sobre el monitoreo de
variables relevantes en el proceso de pollos de engorde con una red de
sensores inalámbricos, para obtener el título de Ingeniería Electrónica.
2. TITULO: monitoreo de variables ambientales influyentes en la crianza de
pollos de engorde utilizando redes de sensores inalámbricas.
3. AUTORES: Juan Pablo González Acevedo, Juan Pablo Monroy Bustos y
Audrey Patarroyo Sánchez.
4. LUGAR: Bogotá (Cundinamarca)
5. FECHA: Julio de 2011.
6. PALABRAS CLAVES: Pollos de engorde, Sensor, Red de Sensores
Inalámbricas (WSN), Temperatura, Humedad, Bioseguridad, Calidad del
Agua, Calidad de Aire, Visualización, Ambientes Controlados, Calibración.
7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: El presente trabajo de grado es una
propuesta para el monitoreo de las variables que influyen en el crecimiento
de las aves dentro del galpón a través de una red inalámbrica de sensores
las cuales podrán ser visualizadas en estaciones remotas de trabajo.
8. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Este trabajo se desarrolla en el marco de la
línea institucional de la Facultad de Ingeniería: “Tecnologías actuales y
sociedad”
9. FUENTES CONSULTADAS: ALVARADO Pablo, GONZÁLEZ Apolinar y
VILLASEÑOR Luis, Propuesta de aplicación de redes de sensores en el modelado de cultivos protegidos y en campo; ANDERSON KE, Carter T. Hot weather management of poultry. North Carolina State University. 1998. En la web www.ces.ncsu.edu/depst/puolsci/techinfo/4Pst30.htm; AQUINO SANTOS, Raúl. Redes Inalámbricas de sensores y actuadores y su aplicación en el sector agrícola;B. Wang, B. M. Rathgeber, T. Astatkie, and J. L. MacIsaac. The Stress and Fear Levels of Microwave Toe-Treated Broiler Chickens Grown with Two Photoperiod Programs.2008 PoultryScience 87:1248–1252; BEDOYA German. El campo colombiano hoy. ¿y mañana?; CASTA Navarro Acocer. Curso de avicultura. Escuela de Agricultura y Ganadería. Rivas, Nicaragua. 2002; Memorias AMEVEA, 2009; QUILES A, Hevia ML. Fisiologismo de la termorregulación en las gallinas. Departamento de producción animal. Facultad de Veterinaria. Universidad de Murcia. España; SEONG-EUN Yoo, JAE-EON Kim, TAEHONG Kim,
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SUNGJIN Ahn, JONGWOO Sung, DAEYOUNG Kim- A2S: Automated Agriculture System based on WSN Real-time. Embedded Systems Laboratory, Information and Communications University; TOBÓNY Luis y MARTINEZ Michael Modelo basado en restricciones para análisis de cobertura en Redes de Sensores Inalámbricas. Grupo AVISPA. Pontificia Universidad Javeriana – Cali.; URZÚA Sotomayor Julio. Acuerdo Chile – Unión Europea: una Visión Agropecuaria. Universitat de Barcelona – 2003; VILLÓN Valdiviezo Daniel, Diseño de una red de sensores inalámbrica para agricultura de precisión
10. CONTENIDOS: En este trabajo de grado se encuentra el desarrollo necesario para la Implementación de un prototipo funcional para el monitoreo de señales ambientales en el proceso de crianza de pollos de engorde utilizando redes de sensores inalámbricas. La determinación de las variables ambientales a monitorear teniendo en cuenta su impacto en el proceso de crianza de los pollos de engorde. El análisis y selección de los sensores que se adapten a las condiciones ambientales de los galpones. La Implementación de una red inalámbrica de sensores que permita monitorear y el desarrollo de una interface de visualización de las variables a monitorear.
11. METODOLOGÍA: EL método usado para el desarrollo de este proyecto de grado está basado en entrevistas con personal especializado en la crianza de pollos de engorde y visitas de campo. Revisión bibliográfica sobre el tema y un estudio sobre Redes Inalámbricas de Sensores.
12. CONCLUSIONES: Con esta proyecto de grado se buscó realizar la implementación de una prototipo funcional para el monitoreo de señales ambientales en el proceso de crianza de pollos de engorde utilizando redes de sensores inalámbricas con la visualización en una estación remota, permitiendo a los criadores de las parvadas una constante vigilancia de variables que influyen directamente en el desarrollo de los pollos y en el producto final que es su carne.
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MONITOREO DE VARIABLES AMBIENTALES INFLUYENTES EN LA CRIANZA DE POLLOS DE ENGORDE UTILIZANDO
REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS
JUAN PABLO GONZALÉZ ACEVEDO JUAN PABLO MONROY BUSTOS AUDREY PATARROYO SÁNCHEZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTA D.C.
2011
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MONITOREO DE VARIABLES AMBIENTALES INFLUYENTES EN LA CRIANZA DE POLLOS DE ENGORDE UTILIZANDO
REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS
JUAN PABLO GONZALÉZ ACEVEDO JUAN PABLO MONROY BUSTOS AUDREY PATARROYO SÁNCHEZ
Tesis entregada como parte de los requisitos para optar al título de Ingeniero Electrónico
Ing. CARLOS ANDRÉS LOZANO GARZÓN. Director
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTA D.C.
2011
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Nota de aceptación ____________________________________________
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Director ____________________________________________
Jurado
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Jurado
____________________________________________ Bogotá, Junio 20 de 2011
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Comentarios
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Hace un tiempo empecé una gran aventura,
hoy a puertas de culminar este viaje por eso doy gracias a todas aquellas personas que estuvieron
durante este proceso, a mis padres, mis hermanas, mis tías y tíos a mis verdaderos amigos a Juan Monroy por su paciencia y su amistad y sobre
todo a aquellos ángeles que Dios puso en mi vida y en mi camino para todos ellos mil bendiciones y gracias por ser parte de este gran sueño
Juan Pablo González Acevedo
Cuando era un niño yo no quería ser astronauta, ni bombero, ni policía, mucho menos médico,
quería ser un Ingeniero.
Es por esta razón y a puertas de lograr mi gran sueño, quiero agradecer a todos aquellos que participaron de este: a Dios, a mis padres, mis abuelos, mi novia, mis hermanos,
en general a toda mi familia, a mis amigos, en especial a Juan Pablo y Audrey mis amigos y compañeros de viaje,
que sin su perseverancia y colaboración nada de esto sería posible.
Juan Pablo Monroy Bustos
En primer lugar quiero agradecerte a ti Diosito, definitivamente el camino para llegar hasta este punto no ha sido fácil,
sin embargo Tú has estado presente caminando a mi lado. Quiero agradecer a mis padres y hermanos por estar conmigo
en mi proceso de formación, por tener un apoyo incondicional y sobre todo por creer en mí.
Y por último a mi familia, mi novio y amigos cercanos que tuvieron siempre una palabra de aliento.
Audrey Patarroyo Sánchez
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Agradecimientos
Expresamos nuestra más sinceras palabras de agradecimiento a: A Fray Fernando Garzón Q.E.P.D, por hacer parte de nuestra vida universitaria, encontrar en él más que un Rector, un amigo con una gran sonrisa y un espíritu lleno de bondad. Al ingeniero Carlos Andrés Lozano, quien durante 2 años estuvo brindándonos su apoyo, aconsejándonos como tutor y sobretodo como amigo. Por guiar el desarrollo de este proyecto con todas sus capacidades y confianza en nosotros. Al ingeniero Gustavo Quiroga, por su colaboración como profesional y por su apoyo como persona creyendo siempre en nosotros como imagen de sus enseñanzas.
A los ingenieros Giovanni Sánchez, Leonardo Rodríguez y Camilo Téllez, quienes compartieron su conocimiento y aportaron al desarrollo de este proyecto.
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Tabla de Contenido.
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 16
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 18
2.1 . ANTECEDENTES ................................................................................... 18
2.1.1. Crianza de Pollos de Engorde ............................................................ 19
2.1.2. Las Redes de Sensores Inalámbricas ................................................ 23
2.2 . JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 25
2.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................ 26
2.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 27
2.4.1 Objetivo General ................................................................................ 27
2.4.2 Objetivos Específicos ......................................................................... 27
2.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO .................................... 28
3. MARCO DE REFERENCIA. ............................................................................ 29
3.1. MARCO TEORICO CONCEPTUAL .......................................................... 29
3.1.1. Wireless Sensor Network (WSN)........................................................... 29
3.1.2. ARQUITECTURA EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS. .... 32
3.1.3. SENSORES .......................................................................................... 36
3.1.3. POLLOS DE ENGORDE. ................................................................... 40
4. METODOLOGÍA. ............................................................................................. 49
4.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. .......................................................... 49
4.2. LINEA DE INVESTIGACIÓN. ...................................................................... 49
5. DESARROLLO INGENIERIL ........................................................................... 50
5.1 SELECCIÓN DE VARIABLES INFLUYENTES EN EL PROCESO DE
ENGORDE DE POLLOS .................................................................................... 50
5.1.1. Revisión Bibliográfica Crianza Pollos de Engorde ................................. 50
Almacenamiento del alimento ......................................................................... 50
Entrevistas con Personal Especializado en Avicultura ............................. 62
5.2. ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LOS SENSORES QUE SE ADAPTEN A
LAS CONDICIONES AMBIENTALES DE LOS GALPONES. ............................. 67
5.2.1 Selección y análisis de los sensores más adecuados para las variables
seleccionadas .................................................................................................. 67
5.2.2 Parametrización del sensor SHT71 ........................................................ 72
10
5.2.3. Caracterización sensor de temperatura ................................................. 77
5.2.4 CARACTERIZACIÓN SENSOR DE HUMEDAD. ................................... 80
5.3 IMPLEMENTACIÓN DE LA RED INALÁMBRICA DE SENSORES QUE
PERMITA MONITOREAR LAS VARIABLES DE ESTUDIO. .............................. 81
5.3.1Tecnologías inalámbricas existentes para aplicación en redes de área
personal. .......................................................................................................... 81
5.3.2 Zigbee, características y arquitectura. ................................................ 87
5.3.3 Elección de los dispositivos de transmisión más adecuados para las
necesidades de la red. .................................................................................... 91
5.3.4 Diseño de la red basada en nodos de transmisión RF XbeePro. ....... 94
5.3.5 Configuración de los nodos de transmisión. ..................................... 101
5.3.5. Análisis de consumo de batería y selección de baterías. .................... 108
5.4. DESARROLLO DE UNA INTERFACE DE VISUALIZACIÓN DE LAS
VARIABLES A MONITOREAR ......................................................................... 110
5.4.1. Plataforma para el diseño del software de visualización de las variables
...................................................................................................................... 110
5.4.2 Diseño de la Plataforma de Recepción y Visualización de las Señales en
el Entorno Virtual. .......................................................................................... 111
5.4.3 Implementación del Algoritmo de Visualización en Labview. ............... 112
6. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................... 120
6.1 CARACTERÍSTICAS DEL GALPÓN. ..................................................... 120
6.2 UBICACIÓN DE LOS NODOS ................................................................ 121
6.3 TOMA Y REGISTRO DE DATOS ........................................................... 122
7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 125
8. RECOMENDACIONES ................................................................................. 127
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 128
11
TABLA DE FIGURAS.
Figura 1. Arquitectura interna típica de galpones en Colombia. 21
Figura 2. Distribución de zonas de producción para pollo de engorde 22
Figura 3. Distribución de producción de huevo en Colombia. 22
Figura 4. Topologías en estrella y punto a punto 35
Figura 5. Topología ZigBee en malla 36
Figura 6. Cielo falso y cortinas para crianza 41
Figura 7. Galpones tipo túnel de culata abierta 42
Figura 8. Galpón tipo túnel adecuado con cámara de crianza 42
Figura 9. Distribución de aire homogénea 43
Figura 10. Galpones cerrados de ambientes controlados 43
Figura 11. Galpones de ambiente controlado cerrados. 44
Figura 12. Orientación de los galpones. 45
Figura 13. Comportamiento de aves en clima frío 53
Figura 14. Comportamiento de aves en clima cálido 53
Figura 15. Comportamiento de aves bajo corrientes de aire. 54
Figura 16. Comportamiento de aves en condiciones normales. 54
Figura 17. Posiciones características del ave en disipación de calor por
conducción, convección y evaporación. 56
Figura 18. Traje de bioseguridad 59
Figura 19. Ventilación mecánica 61
Figura 20. Ventilación mecánica por depresión 61
Figura 21. Diagrama de conexión SHT71 72
Figura 22. Diagrama de bloques funcionamiento del sensor 72
Figura 23. Diagrama de Flujo Programa Principal (main) 73
Figura 24. Diagrama de flujo subrutinas 74
Figura 25. Caracterización sensor de temperatura primera muestra. 78
Figura 26. Caracterización del sensor de temperatura segunda muestra 79
Figura 27. Caracterización Sensor Temperatura a valores menores de 0°C 80
Figura 28. Caracterización sensor de humedad 81
Figura 29. Estructura de una Picored 83
Figura 30. Estructura de una Scatternet 84
Figura 31. Comparativo entre protocolos para redes de area personal (PAN) 86
Figura 32. Capas de protocolo para redes inalámbricas Zigbee 88
Figura 33. Estructura de la trama en la capa física. 89
Figura 34. (a) Waspmote, (b) Inmote2, (c) Iris, (d) XbeePro, (e) MicaZ, (f)
TmoteSky (g) Tmotemini 92
Figura 35. Ubicación de los nodos en el galpón 95
Figura 36. Distribución de nodos para prototipo. 99
Figura 37. Distribución de celdas para un galpón de 8500 animales 100
12
Figura 38. Diagrama de comunicación con primitivas para nuevos dispositivos en
una red. 108
13
TABLA DE IMÁGENES.
Imagen 1. Sistema de cortina mecánica 63
Imagen 2. Tipo de galpón más común en el país. 64
Imagen 3. Pollitos de 3 días, ubicados en una porción del galpón. 65
Imagen 4. Arco de desinfección de vehículos. 65
Imagen 5. Cilindros de gas para el sistema térmico del galpón. 66
Imagen 6. Instalación sanitaria. 66
Imagen 7. Datos del PIC12F683 76
Imagen 8 Simulación en Proteus sensor SHT71 76
Imagen 9. Ambiente grafico para configuración de nodos. 101
Imagen 10. Programación del nodo coordinador. 102
Imagen 11. Configuración interfaz serial del nodo 104
Imagen 12. Programación del nodo ruteador 105
Imagen 13. Configuración de nodo ED 106
Imagen 14. Cuadro de cálculo de duración de las baterías. 109
Imagen 15. Diagrama de bloques visualización Labview 111
Imagen 16. Trama de datos leída en Labview 112
Imagen 17. Habilitación y lectura del puerto serial 112
Imagen 18. Programación para la identificación de los nodos. 113
Imagen 19. Panel frontal identificación de los nodos 113
Imagen 20. Panel de visualización nodo 1. 114
Imagen 21. Panel de visualización nodo 2. 114
Imagen 22. Procesamiento de las señales 116
Imagen 23. Búsqueda del identificador de cada nodo 117
Imagen 24. Prueba preliminares de adquisición de datos 117
Imagen 25. Panel frontal preliminar 118
Imagen 26. Visualización de la tabla de registro 118
Imagen 27. Registro general 119
Imagen 28. Galpón Avícola Cascabita II 120
Imagen 29. Galpón Avícola Cascabita II 121
Imagen 30. Ubicación del nodo 1 en el galpón 121
Imagen 31. Verificación de la Red de Sensores Inalámbrica 122
Imagen 32. Tabla de registro temperatura y humedad I 122
Imagen 33. Registro General temperatura y humedad I 123
Imagen 34. Tabla de registro temperatura y humedad II 123
Imagen 35. Registro General temperatura y humedad II 123
Imagen 36. Tabla de registro temperatura y humedad III 124
Imagen 37. Registro General temperatura y humedad III 124
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TABLAS.
Tabla 1. Variables mundiales en el mercado de la carne de pollo. 20
Tabla 2. Clasificación de los protocolos de enrutamiento acorde a la estructura de
la red. 30
Tabla 3. Clasificación de los sensores. 37
Tabla 4. Clasificación de sensores por magnitud y según el parámetro variable 38
Tabla 5. Aves por metro cuadrado según el clima. 45
Tabla 6. Distribución para líneas de comederos. 48
Tabla 7. Temperatura durante la crianza. 52
Tabla 8. Temperatura de bulbo seco requeridas para lograr temperaturas a
diferentes niveles de humedad relativa. 55
Tabla 9. Efectos de la temperatura ambiental y humedad relativa en el consumo
de alimento y porcentaje de alimentación, 75% de HR 56
Tabla 10. Programa de días cortos con incremento gradual de la luz, adecuado
para parvadas o machos mixtos sacrificados a más de 2 kg. 57
Tabla 11. Programa de día corto adecuado para parvadas desarrolladas a 2 kg. 58
Tabla 12. Programa de iluminación intermitente adecuado para parvadas
sacrificada a 42 días 58
Tabla 13. Elementos básicos para bioseguridad 60
Tabla 14. Análisis comparativo de las variables 68
Tabla 15. Comparativo Sensores de Temperatura 69
Tabla 16. Comparativo de Sensores de Humedad 70
Tabla 17. Características Generales SHT71 70
Tabla 18. Características Sensado de Humedad 71
Tabla 19. Características Sensado de Temperatura 71
Tabla 20. Caracterización Sensor Temperatura 77
Tabla 21. Caracterización Sensor Temperatura 78
Tabla 22. Caracterización Sensor Temperatura a valores menores de 0°C 79
Tabla 23. Caracterización sensor de humedad 80
Tabla 24. Comparativo entre Zigbee, Bluetooth y 802.11b 85
Tabla 25. Distribución de canales para protocolo Zigbee. 88
Tabla 26. Comparativo entre dispositivos comerciales 93
15
TABLA DE ECUACIONES.
Ecuación 1. Cálculo del error ................................................................................. 77
Ecuación 2. Cálculo del área para un galpón de 8.500 animales .......................... 98
Ecuación 3. Cálculo número de celdas .................................................................. 98
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1. INTRODUCCIÓN La tecnificación de procesos industriales en países desarrollados ha estado expuesta a grandes cambios a través del tiempo, puesto que, se invierten grandes cantidades de capital en investigación y esto beneficia a los diferentes sectores de la industria. El sector agroindustrial no ha sido ajeno a las transformaciones que las tecnologías de la información y las comunicaciones han traído, gracias a esto se ha podido aumentar la producción en cantidad y calidad, adicionalmente se han podido aplicar a cualquier tipo de cultivos ya sean animales o vegetales, donde se monitorean las diferentes variables que puedan afectar el crecimiento de una población. Latinoamérica no es la excepción a estos avances, aunque son pocos los países con los recursos para investigar en el campo, se ha logrado acceder a estas tecnologías1. Países como México, Argentina, Chile y Brasil han comprendido la fortaleza económica que trae la agricultura y son grandes exportadoras de vinos, carne de res, pollo y cerdo, café, azúcar, aguacate, entre otros2. Además, la ubicación geográfica latinoamericana permite que se pueda cultivar casi cualquier producto3. En Colombia, un país agrícola por naturaleza, se invierten anualmente varios millones de dólares en el campo, poco de este capital en su tecnificación, pero no se invierte en investigaciones relevantes a él4. Sectores como el cafetero, el ganadero y el de los biocombustibles (este último, con la mayor inversión en los últimos años) hacen parte de los pocos que llegan a tener algún grado mínimo de tecnificación en comparación con otros países de la región o del mundo. Existen otros sectores que están tecnificados pero por iniciativas privadas, por su capacidad de exportación, por evitar graves problemas ambientales o por la cantidad de producto que se maneja internamente. Entre este último se encuentra el sector avícola, en el cual se manejan grandes cantidades de carne y huevo, por lo cual, se encontraría la necesidad de aumentar la tecnificación de sus procesos. En el Sector Avícola se pueden encontrar varias líneas de producción importantes entre estas: incubación y manejo genético del huevo fertilizado, manejo de gallinas ponedoras y pollos de engorde. El tipo de tecnología necesaria para tecnificar el sector avícola es de difícil acceso para los pequeños y medianos avicultores colombianos, puesto que su costo es elevado y en algunos casos sería necesario hasta cambiar la infraestructura de los galpones. En cuanto a las grandes empresas avícolas del país, han tecnificado los procesos más delicados de esta
1 http://materias.fi.uba.ar/7031/COMERCIO%20INTERNACIONAL.pdf [citado en 3 de mayo de
2010] 2 http://www.planetaazul.com.mx/www/2007/07/30/al-alza-las-exportaciones-agropecuarias-de-
mexico/, [citado en 5 de mayo de 2010] 3 URZÚA Sotomayor Julio. Acuerdo Chile – Unión Europea: una Visión Agropecuaria. Universitat
de Barcelona - 2003 4 BEDOYA German. El campo colombiano hoy. ¿y mañana?.
17
industria como es la incubación de huevos fertilizados, el manejo de las gallinas ponedoras. Este proyecto pretende monitorear las variables ambientales que influyen en la crianza de pollos de engorde, debido a que es una de las áreas específicas de esta industria donde se encuentran grandes pérdidas de producción5, lo que le da relevancia a la tecnificación a esta parte del proceso. Es por esta razón que el proyecto hace énfasis en mejorar las líneas de producción de pollo de engorde, mediante el monitoreo de variables determinantes en el desarrollo de estos animales.
5 http://www.fenavi.org/fenavi/estadisticas-produccion-avicola-pub.php?idm=113. [citado en 25 de
mayo de 2010]
18
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1 . ANTECEDENTES Uno de los aspectos más relevantes al realizar un proyecto que permita mejorar los programas de crianza en pollos de engorde es el relacionar y evaluar las condiciones actuales de producción tanto a nivel de crianza como de tecnologías implementadas, con las variables influyentes durante el proceso. De esta manera se determinará si realmente el sistema es eficiente o por lo contrario presenta falencias que se ven representadas en pérdidas para el productor. Es necesario adquirir cierto conocimiento en lo que concierne al levante de pollos de engorde, de tal manera que puedan identificarse las variables que son más influyentes dentro la línea de producción, así como los climas, estructura física de los galpones y el comportamiento de las aves a cambios leves y abruptos de las variables, ya que esto permitirá realizar una evaluación más eficiente del sistema que se debe implementar. De otro lado es necesario realizar un estudio de los sistemas que sean de mejor manejo dentro de los galpones teniendo en cuenta los parámetros de crianza y los recursos que se encuentren a disposición en el área de trabajo (Puntos eléctricos, y acceso de personal no autorizado), de esta manera se podrá elegir un sistema que permita realizar una buena labor de monitoreo y por ende un mejoramiento y posibles soluciones futuras para el control de dichas variables. A nivel mundial existen sistemas integrados de monitoreo y control aplicadas en galpones con la estructura física necesaria para generar ambientes controlados, esto debido a la ubicación geográfica, es decir los países con producción avícola ubicados en dichas zonas donde existan estaciones climáticas definidas requieren de este tipo de infraestructura para mantener la producción de manera continua. Para los países ubicados en zonas tropicales la infraestructura del galpón va más acorde a la capacidad de inversión del criador o de la empresa que maneje la producción, sin embargo en países como Brasil se han venido cambiando paulatinamente el diseño de los galpones tradicionales en zonas tropicales por galpones con condiciones para generar ambientes controlados y en los cuales la producción se encuentra totalmente automatizada, tanto el monitoreo que permitirá tomar decisiones durante el proceso de levante como el control que ligado al monitoreo de variables permitirá mantener estas en el nivel adecuado para la crianza de los animales. Colombia ha realizado grandes esfuerzos con el fin de mejorar los programas de crianza sin embargo la arquitectura de los galpones sigue siendo muy precaria para apuntar a la generación de ambientes controlados, aunque empresas fuertes dentro del sector ya poseen algunos galpones de este tipo, sin embargo la gran mayoría de la producción e implementación tecnología se realiza en galpones de tipo tradicional.
19
Para este proyecto se precisó que es pertinente realizar una división de los temas a tratar en dos partes, una que concierne directamente a la crianza de pollos de engorde y el otro acorde a la tecnológica propuesta para este proyecto que se basa en las redes de sensores inalámbricos aplicados a la industria avícola.
2.1.1. Crianza de Pollos de Engorde Gracias a su alto valor nutricional, sus múltiples formas de cocción y su economía, la carne de pollo es uno de los productos más apetecidos a nivel mundial, aunque se vive una grave recesión a causa de la crisis financiera mundial, la industria avícola es de las pocas que han aumentado su producción6. Países como Brasil y Estados Unidos, dos de los más grandes exportadores de carne de pollo del mundo, siguen vigentes en el mercado gracias a su capacidad de respuesta y a su conocimiento del mismo, pero esto solo es posible cuando se tiene una adecuada tecnificación7. Aunque se ha reducido la importación en países que eran fuertes anteriormente en este campo como Japón, Hong Kong, entre otros. Se abren nuevas fronteras para la exportación de este producto, ya que China e India están abriendo sus puertas a nuevos productos entre estos la carne de pollo2. Es claro que Colombia no se encuentra dentro de los grandes países exportadores de pollo8, sin embargo dentro de la zona es el tercer país con mayor producción después de países como Brasil y México, manejando una calidad regida por estándares internacionales, es por esta razón que para mantener acuerdos comerciales Colombia debe invertir más en la tecnificación de la avicultura, pero no solo en la compra de costosos equipos sino también en la investigación, de manera que las soluciones tecnológicas sean de fácil acceso a los medianos y pequeños comerciantes, además del mejoramiento de los programas de crianza sacando el máximo provecho de las instalaciones existentes a lo largo del territorio nacional. Dentro de las líneas de producción en la avicultura sobresalen dos de especial cuidado, las cuales son el levante de pollos de engorde y las líneas de producción de huevo las cuales parten del manejo de huevo fertilizado y las mejoras genéticas en los procesos de incubación, los cuales a nivel mundial cuentan con laboratorios de gran capacidad investigativa. En Colombia los procesos de manipulación genética y fertilización de huevo cuentan con un gran desarrollo lo cual ha permitido mejoramiento de las razas y por ende una reducción de la mortalidad en los animales durante los procesos ya sea de engorde o de producción de huevo.
6Watt industria avícola. Brasil 2008: un año record. Cris Wright. Pág.6. http://www.industriaavicola-
digital.com/industriaavicola/200904/?pg=6, [citado en Octubre de 2010] 7Ibídem
8http://web.presidencia.gov.co/sp/2007/septiembre/07/02072007.html, [citado en 2 de junio de
2010].
20
Líneas de producción en el panorama avícola mundial y nacional. Dentro de
las líneas de producción en la industria avícola se pude encontrar tres tipos de
líneas: incubación y fertilización de huevo, levante y engorde de animales para
productos cárnicos, y cría de pollitas para producción de huevo. Sin embargo los
indicadores de producción y las estadísticas se centran en la dos últimas debido a
que son la finalización del proceso como tal.
Producción de carne de pollo a nivel mundial y nacional.
La situación de la avicultura en el mundo en comparación con la avicultura en
Colombia denota la baja capacidad de producción, ya sea debido a la falta de
infraestructura o capacidad de exportación y consumo en la Tabla 1 se puede
observar el panorama de la producción de carne de pollo a nivel mundial, se
observan las variables más influyentes del mercado9.
Tabla 1. Variables mundiales en el mercado de la carne de pollo.
PRINCIPALES VARIABLES DEL MERCADO MUNDIAL DE CARNE AVIAR (MILES DE TONELADAS)
Producción Consumo Exportaciones. Estados Unidos 16.076 13.657 2.480
China 10.850 11.010 353 Brasil 10.105 7.200 2.905
Unión Europea 8.035 7.885 700 México 2.656 3.070 Sin datos India 2.200 2.200 Sin datos.
Argentina 1.300 1.154 150 Japón 1.235 1.925 Sin Datos.
Tailandia 1.050 Sin datos 315 Canadá 995 Sin datos 130 Rusia 1.350 2.540 Sin datos Otros 7.067 10.578 145 Total 62.919 61.219 7.178
Var. 2007/0,6% 3,83 3,09 11,7 Fuente: USDA
La tabla anterior demuestra la capacidad de algunos para producción de carne de pollo, lo cual muestra un panorama del mercado de esta y el nivel de exportaciones. Lo cual va ligado a los sistemas y planes de levente para esta línea, cabe anotar que países como Estados Unidos y China, los mayores productores de carne de pollo y por ser países ubicados en zonas distantes al trópico requieren arquitecturas cerradas para el proceso de levante lo cual conlleva a una mayor tecnificación durante los procesos no solo en cuanto a el
9 Finagro, Sistema de Infomracion Sectorial, Revista Industria avícola y FENAVI para Colombia-
ICA.
21
monitoreo si no al control de las variables, obteniendo una mayor producción y mayor rentabilidad. En Colombia la situación se torna de manera diferente ya que generalmente las líneas de producción de pollo para carne se concentran en climas templados y cálidos y al estar ubicados en el tópico la arquitectura de estos no es tan exigente, generalmente en Colombia no se cuenta con galpones de ambiente controlado y cerrado, salvo algunas empresas del sector que cuentan con algunos de estos, sin embargo no es una constante. Por el contrario la arquitectura para el tipo de galpones con el que se cuenta en Colombia es de tipo túnel con culatas abiertas y cortinas laterales para el manejo de la ventilación dentro de estos, en la Figura 1, se puede observar la arquitectura interna clásica de un galpón para levante de pollos. Figura 1. Arquitectura interna típica de galpones en Colombia.
Fuente: Fenavi.
Dentro del panorama nacional la distribución de zonas productoras de pollo de engorde anualmente se está en una parvada de 30 millones de pollitos mensualmente obteniendo una producción de 600 T*m, lo que garantiza en promedio un consumo per cápita de 15kg/Hab, la distribución de los galpones para estas líneas de producción están en su mayoría ubicados en la zona centro del país en departamentos como (Cundinamarca, Tolima y Huila), seguido de departamentos como Valle, Santanderes, Antioquia, Costa Atlántica, eje Cafetero y zona oriental, en la Figura 2, se puede observar la distribución de zonas de producción dedicadas a el levante de pollos10.
10
Finagro, Sistema de Infomracion Sectorial, Revista Industria avícola y FENAVI para Colombia-ICA.
22
Figura 2. Distribución de zonas de producción para pollo de engorde
Fuente: Autores
Producción de huevo en Colombia. En cuanto a las líneas de producción de huevo para consumo humano la distribución de la producción se centra de igual manera en la región central (Cundinamarca, Tolima, Huila y Meta), seguido de departamentos como Santander, Valle, Costa atlántica, Antioquia, eje Cafetero y zona Oriental, en la Figura 3 se puede observar la distribución de la producción de huevo en Colombia. Figura 3. Distribución de producción de huevo en Colombia.
Fuente: Autores.
La línea de producción de huevo dista en algunas características a las de los pollos d engorde, una de ellas es la temperatura dentro de los galpones así como del régimen alimenticio de los animales, cabe anotar que el proceso de las gallinas ponedoras no se rige por el manejo de programas de iluminación, aunque los galpones son del mismo tipo de arquitectura, solo los diferencia los nidos o camas que se ubican para que cada animal tenga su sitio adecuado de postura. En el
36%
19% 18%
11% 10%
3% 1%
% de Producción de pollo de engorde.
Zona Centro Valle Santanderes
Antioquia Costa Atlantica Eje Cafetero
Zona oriental
35%
24%
21%
5% 9%
4% 2%
% de Producción de Huevo en Colombia
Zona Centro.
Santander.
Valle.
Costa Atlantica.
Antioquia.
Eje Cafetero.
23
manejo de gallinas ponedoras la temperatura aunque es un factor importante no determina la calidad del proceso, caso contrario a los pollos de engorde en donde la temperatura es un factor que afecta la ganancia de peso de los animales. Variables como la humedad y la bioseguridad en ambos procesos son de vital importancia, al igual que la calidad del alimento, agua y el aire.
2.1.2. Las Redes de Sensores Inalámbricas Aunque el término Wireless Sensor Network (WSN) no es del todo nuevo, si lo son el sin número de aplicaciones que se han venido proponiendo a lo largo de los años desde su aparición. A nivel mundial el concepto de redes se ha expandido de la misma manera como lo ha hecho internet, cada día es más común encontrar redes de grandes, medianas y pequeñas empresas que buscan optimizar sus recursos, sin embargo y aunque aún existen redes cableadas, las redes inalámbricas son las que más fuerza están tomando en el mercado y su posicionamiento ha venido en un alto crecimiento11. El desarrollo de las tecnologías de la información ha tenido gran expansión en la cual las diferentes áreas del conocimiento se han visto involucradas, hoy en día existen términos como telemedicina la cual involucra a las redes de sensores con procedimientos médicos de rutina, también se hace referencia a la telemetría en procesos industriales también en el caso de la agricultura de precisión, se puede hablar de banderilleros satelitales, en el caso de la industria militar la utilización de redes de sensores ha venido cobrando una gran relevancia en el posicionamiento de tropas enemigas y amigas para disminuir los errores en misiones tácticas, la utilización de visores que permite hacer análisis de imágenes proyectadas desde un UAV que portan cámaras infrarrojas, las cuales permiten ubicar de manera eficaz al enemigo por medio de la temperatura corporal. Por otra parte las redes de sensores inalámbricos también tienen un amplio campo en la agroindustria, desde 2004 en donde se propuso una red se sensores aislados12 o (data loggers) en cultivos de uva dedicados la viticultura en donde los datos adquiridos de las condiciones ambientales juegan un papel importante en la maduración de la uva o cepa, lo cual influye en el proceso de fabricación del vino. La recolección de estos datos proveía un modelo del manejo de dichos cultivos, datos adquiridos en tiempo real y con los cuales podían tomarse medidas preventivas en el caso de heladas o variaciones en las condiciones ambientales del lugar. Con la aparición de tecnologías de transmisión de datos de manera inalámbrica, los proyectos de redes de sensores inalámbricos se dedican a hacer comparaciones entre los diferentes estándares de transmisión (WiFi, Bluetooth,
11
http://www.arcos.inf.uc3m.es/~sescolar/index_files/presentacion/wsn.pdf. [citado en 11 Mayo de
2010]. 12
ALVARADO Pablo, GONZÁLEZ Apolinar y VILLASEÑOR Luis, Propuesta de aplicación de redes de sensores en el modelado de cultivos protegidos y en campo.
24
ZigBee)8. Dentro del proceso de investigación es posible hacer una división de la aplicación de este tipo de redes aplicadas a la industria agrícola, estos son: vigilancia ambiental y agricultura de precisión. Existen diversidad de proyectos con características similares, aplicación de una WSN en procesos agroindustriales8, que recalcan la importancia de medir las variables ya sean ambientales o químicas durante un proceso, que permitan realizar un modelo de crianza, cultivo o desarrollo de nuevas tecnologías para el control de dichos aspectos. Una de las ventajas de las WSN es la versatilidad y la movilidad que se puede obtener con la instalación de estas, aunque uno de los puntos clave en la instalación de una WSN es la búsqueda en la reducción de consumo de energía y la fuentes de alimentación para realizar su recarga, han sido objeto de estudio tanto en cultivos cerrados como a campo abierto. Es ideal que una red de sensores inalámbrica pueda proveerse de energías ajenas a la red de distribución, podría hablarse de paneles solares, energía geotérmica, eólica o mini hidráulica dependiendo de los recursos del área de ubicación del proceso, debido al bajo consumo de los módulos de transmisión10. En cuanto a la comunicación debe efectuarse de una manera efectiva, buscando en lo posible el menor número de errores durante esta, para la optimización del consumo de energía de los módulos, por otro lado la arquitectura interna de los módulos también juega un papel importante en el desempeño de una WSN, ya que deben estar claros los procesos realizados por cada una de las capas pertenecientes al modelo OSI, recordando que cada módulo trabaja con los tres primeros niveles del modelo (capa física, capa de enlace de datos y capa de red). Otro de los aspectos importantes a tener en cuenta es el tipo de topología más adecuada para la implementación de una WSN. Todo esto garantizará una mejor gestión, un manejo más adecuado de la energía que requiera cada módulo y facilitará el manejo para el mantenimiento de los módulos y sensores instalados. A nivel internacional un estudio realizado en Information and Communications University denominado A2S: Automated Agriculture System based on WSN, es un artículo que describe los resultados de la implementación real de la A2S que por medio de WSN (Wireless Sensor Network) realiza un seguimiento y control del entorno en los invernaderos de melones y repollo en el Centro de Investigación de Semillas de DongbuHandong en Corea, esta información puede ser visualizada en PDA´S. El MIC (Ministerio de Información y Comunicación de Corea ) apoya el Centro de Investigación de Tecnologías de la Información ITRC en donde se han desarrollado variedad de proyectos con WSN, dentro de las cuales se puede resaltar aplicaciones para el monitoreo de variables ambientales en la prevención de heladas en diferentes cultivos y el registro de datos, monitoreo y control de microclimas, la protección de un cultivo de papa en contra de Phytophthora, un hongo que puede propagarse fácilmente entre las plantas y destruye una cosecha completa dentro de una región en donde colocaron una red de sensores de gran
25
escala (alrededor de 100 nodos) para poder monitorear un área extensa13. En cuanto a la cobertura de la red de sensores inalámbrica el diseño debe definirse el porcentaje de cobertura requerido, pues depende considerablemente del radio de sensado de cada nodo y el número de nodos disponibles en el área de estudio14, además del rango de cobertura de cada sensor. Las inquietudes frente a las redes inalámbricas de sensores y su aplicación en sector agrícola es una constante, por ejemplo, en México el Dr. Raúl Aquino Santos miembro de la Red Mexicana de Grupos de Investigación en Comunicaciones Inalámbricas menciona que precisamente el sector agrícola es uno de los más marginados dentro de las investigaciones y los avances tecnológicos. Es de vital importancia el análisis, diseño e implementación de algoritmos de enrutamiento para redes de sensores y actuadores que tengan aplicabilidad en este sector, dentro de los retos e investigaciones se debe tener presente la naturaleza heterogénea; la incertidumbre en las comunicaciones inalámbricas; las restricciones en el consumo de potencia; el limitado poder informático; las características de tiempo real; la detección y localización de elementos móviles; el desarrollo de herramientas, métodos y modelos que ofrezcan una mejora en el desarrollo15. El campo de las redes de sensores aplicadas al sector agroindustrial a nivel Nacional es muy limitado con respecto a desarrollos o avances no solo en lo técnico sino en el desarrollo de aplicaciones y prototipos funcionales, sin embargo, el grupo de investigación de la Universidad de Industrial de Santander CCS, Conectivity and Signal Processing realizó una propuesta de investigación con el siguiente nombre: “Evaluación de la incidencia de variables físicas en la mortalidad de aves de corral en granjas avícolas durante las etapas de cría, levante y engorde”. Esta investigación tiene como objetivo evaluar las técnicas de redes de sensores inalámbricos y tomografía infrarroja, como herramientas para el estudio de la incidencia de variables físicas ambientales en la mortalidad de aves de corral para granjas avícolas en el proceso de cría, levante y engorde. Sin embargo, esta investigación no arrojó resultados ni publicaciones.
2.2 . JUSTIFICACIÓN La crianza de pollos de engorde es un proceso en el cual las aves llegan al galpón a muy corta edad y allí crecen hasta alcanzar la edad y peso suficiente para poder ser sacrificados. Existen aspectos que deben tenerse en cuenta para la crianza de
13
SEONG-EUN Yoo, JAE-EON Kim, TAEHONG Kim, SUNGJIN Ahn, JONGWOO Sung, DAEYOUNG Kim- A2S: Automated Agriculture System based on WSN Real-time. EmbeddedSystemsLaboratory, Information and CommunicationsUniversity 14
TOBÓNY Luis y MARTINEZ Michael Modelo basado en restricciones para análisis de cobertura en Redes de Sensores Inalámbricas. Grupo AVISPA. Pontificia Universidad Javeriana – Cali. 15
AQUINO SANTOS, Raúl. Redes Inalámbricas de sensores y actuadores y su aplicación en el sector agrícola.
26
aves, en este caso, los pollos de engorde, debido a la susceptibilidad que poseen a cambios bruscos de temperatura, intensidad de la luz, humedad relativa, calidad del alimento, calidad del agua y todos aquellos aspectos que puedan conllevar a enfermedades típicas de ellos. El medio en el que se desarrollen los pollos influye directamente en su crecimiento y en el producto final que es la carne; por ejemplo, cuando la temperatura aumenta de una manera brusca se genera en los pollos: estrés, poco apetito, vasodilatación, fragilidad vascular, retraso en los procesos metabólicos y lesiones superficiales en la piel161718. Actualmente existen pocas empresas en Colombia dedicadas a la crianza de pollo de engorde con líneas de producción tecnificadas, las cuales están planificadas de acuerdo con los manuales técnicos; sin embargo, la tendencia de estas empresas es adquirir equipos sin un estudio previo que realmente evidencie el monitoreo de variables que influyen en el proceso de levante. Es por esta razón que este proyecto tiene como finalidad lograr un adecuada forma de monitoreo de las variables más influyentes durante el proceso de levante, mediante la implementación de redes de sensores inalámbrica
2.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Actualmente los procesos agroindustriales enfocan sus esfuerzos en mejorar la rentabilidad y calidad de sus productos, lo cual permite elevar los estándares de calidad exigidos hoy en día. A nivel mundial existen empresas dedicadas a automatizar líneas de proceso en las grandes agroindustrias, ofreciendo una amplia gama de productos que varían dependiendo de las necesidades del cliente; sin embargo, aún existen falencias en la elección de los sistemas ofrecidos y las variables que se desean controlar, debido a la falta de conocimiento del comportamiento de las variables que influyen en el proceso. Son problemas que debido al soporte técnico que brindan estas empresas se pueden corregir en la marcha. Caso diferente a los países en vía de desarrollo, ya que la mayoría de las empresas que ofrecen automatización en las líneas de producción no cuentan con sede en dichos países, lo cual dificulta el soporte técnico e incrementa los costos en compra de repuestos.
16
MCKEE S. R. and Sam. A. R. The Effect of Seasonal Heat Stress on Rigor Development and the Incidence of Pale, Exudative Turkey Meat.Department of Poultry Science, Texas A&M University System, College Station, Texas 77843-24721997 Poultry Science 76:1616–1620. 17
KRANEN R. W., C. W. Scheele, c. h. VEERKAMP, e. LAMBOOY, t. h. van KUPPEVELT, and J. H. VEERKAMP. Susceptibility of Broiler Chickens to Hemorrhages in Muscles: The Effect of Stock and Rearing Temperature Regimen. 1998 Poultry Science 77:334–341 18
MEAD G. C..Poultry meat processing and quality, Woodhead Publishing Limited Abington Hall, Abington Cambridge CB1 6AHEngland.2004
27
De igual manera en Colombia y más exactamente algunas empresas del sector avícola cuentan con sistemas de control para el manejo de pollos de engorde, controlando variables de gran importancia en el proceso, sin embargo al implementar dichos sistemas no se hace un estudio previo del comportamiento de las variables que están involucradas en el proceso con gran exactitud, sino al contrario se realiza basándose en la experiencia del criador y el comportamiento del animal. Es por esto que la uniformidad de los lotes se ve involucrada, además de la salud de los animales dentro del galpón, lo cual aumenta la tasa de enfermedad y en algunos casos la tasa de mortalidad del proceso en general19. Es por esta razón que se hace realmente importante realizar monitoreo de las variables relevante en dichos procesos de una manera continua antes y durante el tiempo que permanezcan los animales dentro de los galpones, ya que teniendo datos del comportamiento de estas se logrará realizar un mejoramiento de los programas de crianza con respecto a las variables que influyen en la salud y ganancia de peso en menor tiempo de los animales. ¿Cuáles deben ser las características técnicas de un sistema de monitoreo inalámbrico que permita observar el comportamiento de las variables ambientales relevantes en la crianza de pollos de engorde?
2.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.4.1 Objetivo General Implementar un prototipo funcional para el monitoreo de señales ambientales en el proceso de crianza de pollos de engorde utilizando redes de sensores inalámbricas.
2.4.2 Objetivos Específicos 1. Determinar las variables ambientales a monitorear teniendo en cuenta su
impacto en el proceso de crianza de los pollos de engorde 2. Analizar y seleccionar los sensores que se adapten a las condiciones
ambientales de los galpones. 3. Implementar la red inalámbrica de sensores que permita monitorear las
variables de estudio. 4. Desarrollar una interface de visualización de las variables a monitorear.
19
Conferencia: Relación entre el manejo del ambiente del galpón con presencia de problemas sanitarios en pollos de engorde, Dr. Flavio Henrique Araujo. http://ameveaperu.org/wp-content/uploads/2011/05/03-relacion-entre-el-manejo-del-ambiente-del-galpon-con-presencia-de-problemas-sanitarios-en-pollos-de-engorde.pdf, [citado en 3 de septiembre de 2010].
28
2.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
Debido al desconocimiento del comportamiento de las variables que son relevantes en los procesos de pollos de engorde, el proyecto está basado en el monitoreo de las variables a través de una red inalámbrica de sensores que influyan en el crecimiento de las aves dentro del galpón las cuales podrán ser visualizadas en estaciones remotas de trabajo. Cabe anotar que no se realizará el control de dichas variables, ya que, el sistema se implementará en un galpón que se encuentra en producción y la manipulación de las variables y el desconocimiento del comportamiento de estas puede afectar la salud del lote.
Uno de los inconvenientes por los cuales se ve afectado el proyecto es la poca comercialización de sensores industriales en el mercado colombiano, lo cual limita en parte la elección del tipo de sensor que sea más conveniente para implementar en los módulos de transmisión inalámbrica, de esta manera el resultado del monitoreo está sujeto a la gama de sensores que pueda encontrarse o el costo de importación de estos.
29
3. MARCO DE REFERENCIA.
3.1. MARCO TEORICO CONCEPTUAL Esta etapa del proyecto presenta las bases en las que está cimentado el monitoreo, tomando como principal pilar, las redes de sensores inalámbricas o WSN y su aplicación a la agroindustria, en este caso en particular a la crianza de pollos de engorde.
3.1.1. Wireless Sensor Network (WSN) Una red de sensores inalámbricos (WSN), es aquella red el cual está formados por un largo número de pequeños sensores los cuales se comunican por medio de interfaces inalámbricas. Aparte de tener sensores, la red, está formada por dispositivos los cuales ayudan al rápido, y confiable desarrollo de la red. Algunos de estos dispositivos son operados por medio de una batería que está incorporada en las unidades de proceso central (CPU), en donde el objetivo primordial es mejorar el rendimiento computacional de la red. Por otro lado se tiene una memoria en donde su funcionamiento se centra en el almacenamiento de códigos de programas y de datos, y por último se tiene un transmisor de radio, el cual se utiliza para la comunicación inalámbrica. Esta unión de dispositivos son colocados en conjunto, al que se denomina “nodo”.
“Tipos de redes WSN. Dentro de las redes de sensores inalámbricos podemos encontrar diferentes tipos, de acuerdo a su aplicación, funcionalidad, evento, tiempo de sensado, protocolos de enrutamiento y programación. Dentro de estos tipos encontramos:
Homogénea: Cuando los nodos de una red tienen la misma configuración de hardware, de lo contrario se clasifica como una red heterogénea.
Autónoma: Una red de sensores se clasifica como autónoma, cuando cada uno de los nodos tiene la capacidad de realizar tareas de autoconfiguración si necesidad de la intervención de algún operador.
Estática: Se hace referencia si un nodo no cambia de posición o lugar durante su funcionamiento, en caso contrario se considera como dinámica.
Sin embargo las redes de sensores también pueden clasificarse de acuerdo al tipo de enrutamiento que se utilice, clasificándose de la siguiente manera:
30
Ruteo Plano. En Todos los nodos son asignados los mismos roles.
Ruteo Jerárquico. Los nodos juegan diferentes roles en la red.
Ruteo Adaptivo. Ciertos parámetros del sistema son controlados en orden, para adaptarse a las condiciones actuales de la red y los niveles de disponibilidad de energía.
Ruteo basado en localización. Se explota la posición de los sensores para enrutar los datos en la red.
Por otra parte y además de los protocolos de enrutamiento las redes de sensores pueden clasificarse de acuerdo a las técnicas que utilicen, tales como las basadas en multitareas, en consultas, negociaciones, QoS o en técnicas coherentes, todo esto dependiendo de la operación del protocolo que se utilice. Al utilizar una topología estática, es conveniente utilizar tablas de ruteo por medio
de protocolos proactivos, ya que utilizan menor energía que los protocolos
reactivos en el proceso de descubrimiento y configuración. Otro de los protocolos
utilizados en redes de sensores inalámbricos son los protocolos cooperativos, los
cuales operan enviando los datos a un nodo central donde son almacenados y
después de determinado tiempo pueden ser sometidos a procesamiento posterior,
logrando una mayor optimización de la energía utilizada por cada nodo. En la
Tabla 2 se presenta el resumen de los protocolos de cada una de las categorías
mencionadas.
Tabla 2. Clasificación de los protocolos de enrutamiento acorde a la estructura de la red.
PROTOCOLOS PLANOS
PROTOCOLOS JERRARQUICOS
PROTOCOLOS ADAPTATIVOS
PROTOCOLOS BASADOS EN
LOCALIZACION.
SAR LEACH GAF Difusión directa PEGASIS GEAR
RUMOR TEEN Y APTEEN MFR MCFA MECN Y SMECN DIR
Ruteo basado en gradiente
SOP GEDIR
CADR Sensor
AggegatesRouting SPIN GOAFR
COUGAR Cluster de tamaño fijo. SPAN
ACQUIRE Arquitectura de malla
virtual.
Ruteo de uso eficiente de energía
HPAR
Protocolo de ruteo con randomwalks
TTDD
Fuente: Artículo “A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks”; http://www.cs.umbc.edu/~kemal1/mypapers/Akkaya_Younis_JoAdHocRevised.pdf, [citado en Octubre 5 de 2010].
31
Técnicas de ruteo. Con el tiempo las técnicas utilizadas en las redes de sensores inalámbricos avanzan cada vez más y de acuerdo al protocolo utilizado, dentro de los estudios y desarrollo de técnicas se puede encontrar las siguientes:
Técnicas basadas en multi-rutas: La robustez de un protocolo es medido por la probabilidad de que exista una ruta alterna entre la fuente y el nodo coordinador cuando una ruta principal falla. Este se incrementa manteniendo múltiples rutas a expensas de incrementar el consumo de energía y mantener estas rutas alternas activas para el envío de mensajes periódicos. Por lo tanto, la robustez de la red debe ser incrementada mientras se mantiene bajo el overhead de estas rutas.
Técnicas basadas en consultas: En este tipo de ruteo, el nodo destino propaga una solicitud o consulta de datos desde un nodo a través de la red y aquellos nodos que poseen la información solicitada la envían al nodo que envío la consulta. Difusión directa es un ejemplo de este tipo de ruteo. A lo largo de la ruta se lleva a cabo la agregación de datos y con ello se reduce el consumo de energía.
Técnicas basadas en negociación: Estos protocolos utilizan descriptores de datos de alto nivel con el fin de eliminar transmisión de datos redundantes mediante negociaciones. Las decisiones de comunicación son basadas en los recursos disponibles. La familia de protocolos SPIN es un ejemplo de un protocolo de ruteo basado en negociación. La motivación es que el uso de inundación para diseminar los datos produzca una implosión y traslape los datos enviados y los nodos reciban copias duplicadas del mismo dato. Esta operación consume más energía y procesamiento enviando los mismos datos por diferentes sensores.
El protocolo SPIN es diseñado para diseminar los datos de un sensor a todos
los demás sensores considerando que dichos sensores son potencialmente
estaciones base. Por lo tanto, la idea principal de la negociación es suprimir la
información duplicada y prevenir datos redundantes, enviando al siguiente
sensor o estación base (por sus siglas en ingles BS) un aviso, conduciendo
una serie de mensajes de negociación antes de iniciar la transmisión real de
los datos.
32
Técnicas basadas en calidad de servicio (QoS): En los protocolos basados en QoS (Quality of Service), la red tiene que hacer un balance entre el consumo de energía y la calidad de los datos. En particular la red tiene que satisfacer ciertas métricas de QoS como retardo, energía, ancho de banda etc. cuando entrega los datos a la BS. SAR es uno de los primeros protocolos de ruteo que introduce QoS en las decisiones de ruteo. Las decisiones en SAR dependen de tres factores: recursos de energía, QoS en cada ruta, y el nivel de prioridad de cada paquete.
Técnicas coherentes: Las técnicas de ruteo emplean diferentes técnicas de procesamiento de datos. En general, los sensores cooperan con otros en el procesamiento de datos inmersos en el área de la red. Existen dos técnicas de procesamiento: coherentes y no coherentes. En el procesamiento de datos no coherentes los nodos procesan localmente los datos antes de ser enviados a otros nodos para procesamiento adicional. Los nodos que desarrollan el procesamiento adicional se les conoce como agregadores. En el ruteo coherente, los datos son direccionados a los agregadores después de un mínimo procesamiento. El procesamiento mínimo incluye tareas como etiquetado de tiempo, supresión duplicada, etc. Para desarrollar ruteo con uso eficiente de energía, normalmente se selecciona ruteo coherente”20.
3.1.2. ARQUITECTURA EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS. De la misma manera como en las redes cableadas se encuentra diferentes tipos de arquitecturas o topologías, en las WSN encontramos algunas disposiciones con características diferentes, el uso de alguna de estas o la mezcla de ellas depende únicamente de la aplicación que se implementara y la necesidad de desempeño de la red. Estas topologías juegan un papel relevante el diseño de WSN ya que la distribución o arquitectura que se utilice en la implementación, algunos de los factores que deben tenerse en cuenta cuando se toma la decisión de la arquitectura y se inicia el diseño de una red de sensores inalámbrico son los siguientes21:
Longevidad / Energía: Puede definirse como el periodo de tiempo en el cual algunos o la totalidad de los nodos que componen una red obtienen información que pasa a través de ellos hasta la aplicación final.
Latencia: Es el intervalo de tiempo entre el instante que el sensor obtiene la información y el momento en que esta es entregada a su destino final.
20
MANNA: A management architecture for Wireless Sensor Networks. En: IEEE COMUNICATIONS MAGAZINE. 21
Rodríguez Oscar, Téllez Camilo. “Implementación De Un Prototipo Funcional De Un Sistema De Adquisición Y Visualización De Temperatura Y Humedad En Seres Humanos, Utilizando Redes De Sensores Inalámbricas”. Tesis (Ingeniería Electrónica). Universidad de San Buenaventura, Bogotá Colombia. 2009
33
Precisión: Indica la exactitud del resultado, es la responsable de establecer que cantidad de energía consume el sensor al capturar la información recibida.
Tolerancia a errores: En una WSN, los nodos pueden fallar debido a la energía, la destrucción física, problemas con la comunicación, o la inactividad. Es la capacidad de mantener las funcionalidades de red sin ninguna interrupción debido a fallas de los nodos sensores. La tolerancia a fallas puede superarse a través de redundancias en los enlaces, procesamiento conjunto y comunicación colaborativa de las señales22.
Relación de paquetes enviados y recibidos: Esta es la tasa del número total de paquetes recibidos por el nodo observador y el número total de paquetes enviados por la totalidad de los sensores en un periodo de tiempo13
.
Escalabilidad: Es un factor crítico que garantiza que el desempeño de la red no se degradará cuando se incremente la densidad de los nodos sensores, o el número de sus elementos.23.
Bajo costo: Debido a que una red de sensores puede consistir de un gran número de nodos sensores, el costo de cada nodo es importante para justificar los costos totales. Si el costo de la red es más alto que el de una red de sensores tradicional, está injustificado el empleo de una red de sensores inalámbricos. Para hacer posible alcanzar este objetivo, el protocolo de comunicaciones y el diseño de red, deben evitar la necesidad de componentes de alto costo.
Bajo consumo de potencia: En las redes de sensores inalámbricos se requiere un bajo consumo de energía debido a que existirán aplicaciones en las que no se podrá dar mantenimiento a los nodos sensores, por lo que se requiere una alta duración de las baterías.
Capacidad de transporte: por lo general en las aplicaciones se requiere entregar los datos sensados a una estación central, por lo tanto, los nodos más cercanos deben ser capaces de manejar el tráfico generado por los demás nodos sensores que no tienen el alcance para entregar directamente los mensajes a la estación central.
En una red de sensores, los nodos están ubicados en un área determinada en donde su objetivo principal es obtener una información determinada, ya sean variables ambientales o internas de un proceso, sin embargo estos nodos deben tener la capacidad de comunicarse entre sí, por medio de comunicaciones inalámbricas en una distribución punto a punto formando redes Ad-Hoc. Dentro de las WSN se pueden encontrar diferentes dispositivos, los cuales son clasificados de acuerdo a su funcionalidad, el hardware y el papel que desempeñen dentro de la red.
22
LINNYER BEATRYS Ruiz, Federal University of Minas Gerais and Pontifical Catholic University
of Parand.MANNA: A Management Architecture for Wireless Sensor Networks 23
CASTILLO LUZÓN, Carlos Alberto. Implementación de un prototipo de red de sensores
inalámbricos para invernaderos. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Escuela Politécnica Nacional
34
Según el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), en su estándar 802.15.4, clasifican los dispositivos de acuerdo a la complejidad del hardware y sus características de capacidad, dentro de estos dispositivos físicos se definen dos clases: Full Function Device (FFD) y Reduced Function Device (RFD). Dentro de este concepto FFD tendrá cierta cantidad de memoria y recursos para ejecutar las funciones y funcionalidades estipuladas dentro del estándar, además de tener la capacidad de asumir funciones extras dentro del esquema de comunicaciones de la red, tales como comunicarse con redes externas. Mientras que RFD, estará limitado en sus capacidades con el fin de recudir costos y complejidad en la estructura de hardware, de esta manera solo contendrá la interfaz física y ejecutará el protocolo de acceso al medio, generalmente pudiendo estableces comunicación con FFD únicamente. Basándose en elementos físicos como FFD y RFD, pueden definirse tres dispositivos lógicos que se crean a partir de las capacidades físicas y funciones asignadas a la red, entre estos dispositivos podemos definir: el nodo coordinador, el nodo ruteador y los nodos terminales. El nodo coordinador por obvias razones debe físicamente tener una estructura FFD ya que tiene la responsabilidad de elegir los parámetros de configuración y de inicio de la red, así como de almacenar cierto tipo de información de la red tal como tablas de ruteo entre otras. Para el nodo ruteador se recomienda una estructura FFD, que pueda soportar funciones de ruteo de datos y también que actúe como interfaz para la interacción de elementos de la red, así mismo que permita el paso de mensajes entre dispositivos remotos a través de rutas multisalto, los nodos ruteadores deben tener la capacidad de comunicarse con nodos terminales o con nodos coordinadores. Entre tanto los nodos terminales son nodos RFD los cuales tienen la justa capacidad de comunicarse con un nodo designado, bien sea coordinador o ruteados, teniendo en cuenta que estos no están en la capacidad de repetir mensajes24. Partiendo de estos dispositivos lógicos, las redes de sensores inalámbricos pueden adoptar los siguientes esquemas topológicos ver Figura 4y Figura 5:
24
Jon T. Adams, AnIntroductionto IEEE STD 802.15.4, Freescale Semiconductor, Inc.
35
Figura 4. Topologías en estrella y punto a punto
Fuente: Architecture of automatic monitoring system for fresh food quality using wireless sensor network. Microelectronics and Electronics, 2008. PRIME 2008. Ph.D.
36
Figura 5. Topología ZigBee en malla
Fuente: Architecture of automatic monitoring system for fresh food quality using wireless sensor network. Microelectronics and Electronics, 2008. PRIME 2008. Ph.D.
Las redes en estrella son características por poseer un solo nodo coordinador con el cual se comunican todos los nodos terminales, adicionalmente este tipo de topología puede contener uno o más nodos ruteadores, que son de gran importancia ya que en un futuro sirven como puerta de ampliación de la red. Mientras que las redes punto a punto están conformadas en su mayoría por nodos ruteadores capaces de comunicarse entre sí y además con nodos coordinadores y terminales, este tipo de redes debe al menos tener un nodo coordinador ya que es el encargado de la sincronización, puesta en marcha de la red y de contener las tablas de ruteo. Otra de las posibles configuraciones son las redes en mallado o redes en topología malla, las cuales podrían considerarse como un hibrido entre redes en estrella y redes punto a punto, lo cual le da mayor versatilidad y mayor capacidad de adicionar elementos.
3.1.3. SENSORES En los galpones existen algunas variables ambientales que al no controlarlas pueden afectar el crecimiento de las parvadas de pollos. La temperatura, la humedad, la luz, la concentración de gases son apenas algunas de estas; existen formas análogas de medir estas variables y mantenerlas controladas pero su respuesta tiene una tendencia muy lenta y pueden causar una pérdida considerable en la producción.
37
Definición. En cualquier sistema de monitoreo, es necesario convertir las perturbaciones del ambiente en señales eléctricas, es decir, captar un valor de la variable y enviar una señal de salida este proceso es realizado por un instrumento llamado sensor25, un sensor es un tipo de transductor que modifica estas perturbaciones representadas por una magnitud por otras que faciliten su estudio. Pero se requiere saber cuál de estas variables son las que afectan en gran medida la producción. Teniendo en cuenta que el estudio de estos instrumentos es muy complejo por la cantidad de funciones que pueden llegar a manejar y por la cantidad de variables que se pueden monitorear con estos dispositivos.
Tipos de Sensores26. Existe gran diversidad de sensores, sin embargo clasificarlos es una tarea compleja, es por esto que se clasificaran de acuerdo a la Tabla 3, según el aporte de su energía como moduladores y generadores, según su señal de salida como análogos o digitales, atendiendo el modo de funcionamiento como de deflexión o de comparación, según la relación entrada salida como de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior.
Tabla 3. Clasificación de los sensores.
Criterios Clases Ejemplos
Aporte de energía Moduladores Generadores
Termistor Termopar
Señal de salida Análogos Digitales
Potenciómetro Codificador de posición
Modo de operación De deflexión
De comparación
Acelerómetro de deflexión
Servo acelerómetro Fuente: Pallás Areni, Ramón. Sensores y acondicionadores de señal. 4ª. Ed. Barcelona, España:
MARCOMBO, 2003. 7 p. Pero estas clasificaciones también suelen ser demasiado extensas entonces lo mejor es clasificarlos por la magnitud a medir, es decir, temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, entre otros. Aunque desde el punto de vista electrónico se clasifican según el parámetro variable como capacitivos, resistivos e inductivos entre otros (ver Tabla 4).
25
Creus Solé, Antonio. Instrumentación Industrial. 7ª. ed. Barcelona, España: MARCOMBO, 2005. 7 p. 26
PallásAreni, Ramón. Sensores y acondicionadores de señal. 4ª. Ed. Barcelona, España: MARCOMBO, 2003. 6-8 p.
38
Tabla 4. Clasificación de sensores por magnitud y según el parámetro variable
Fuente: Pallás Areni, Ramón. Sensores y acondicionadores de señal. 4ª. Ed. Barcelona, España: MARCOMBO, 2003. 8 p
39
Descripción de sensores según su magnitud27. A continuación se describen algunos de los sensores de mayor utilización en el monitoreo de ambientes agroindustriales.
Temperatura. La temperatura en cuanto a los sensores se refiere es la magnitud más común. Existe tres clases de sensores de temperatura: termopares, resistivos y semiconductores.
Termopares: Miden la temperatura gracias a la tensión de dos metales, gracias a sus distintos comportamientos eléctricos.
Resistivos: Existen de dos tipos RTD (resistance temperature detector) o PT100, los cuales pueden ser PTC (positive termal coefficient) o NTC (negative termal coefficient).
Semiconductores: Utilizan la variación en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.
Humedad. La humedad es una variable muy importante en los sistemas industriales, ya que con esta se puede evitar el deterioro de equipos y estructuras, medir la calidad del aire entre muchas otras aplicaciones. Hay dos clases de sensores de humedad: capacitivos y resistivos.
Capacitivos: es un condensador en el cual sus placas son de oro y un dieléctrico no conductor que varía según la humedad.
Resistivos: hecho a base de un polímero que sensa la humedad.
Luminosidad.
Estos dispositivos son capaces de convertir los cambios de luz en señales eléctricas ya sea para usarlos como interruptores, para medir la cantidad de luz en un lugar o para analizar imágenes. Se conocen tres clases de sensores de luz: resistivos (LDR), optoelectrónicos y sensores de imagen CCD y CMOS.
Resistivos: varían su resistencia interna en función de la luminosidad recibida.
Optoelectrónicos: un fotodiodo convierte la variación de la luz en corriente eléctrica.
Sensores de imagen CCD y CMOS. Estos consisten en un conjunto de sensores usados para el análisis de imágenes.
27
Mayné, yordi. Sensores acondicionadores y procesadores de sañal. http://www.scribd.com/doc/3838277/sensores-varios-tipos [citado en 04 de abril de 2010]
40
Gases.
Miden la concentración de algún gas específico en un lugar dado. Pueden ser resistivos o semiconductores:
Resistivos: miden la concentración de un gas, que al aumentar este disminuye la resistencia interna del sensor.
Semiconductores: la absorción de oxígeno en la superficie del substrato varía el flujo de electrones.
3.1.3. POLLOS DE ENGORDE. Este aparte pretende describir el proceso de crianza de pollos de engorde en sus
aspectos más relevantes.
Evaluación para diseño de galpones. Existen diferentes criterios para poder determinar cuál es el diseño de galpón más adecuado para implementar en líneas de producción de pollo de engorde, estos criterios varían dependiendo de las condiciones climáticas y de los factores ambientales de la zona en la que se encuentre ubicada la granja; para esto existen ciertos tipos de recomendaciones que pueden ser consultadas en manuales y técnicas de crianza publicados por grandes industrias con una amplia experiencia en esta actividad además veterinarios expertos dedicados al estudio en el manejo de aves de corral. Si bien es cierto los manuales no son más que una guía es pertinente tener en cuenta los aspectos en los cuales estos se enfatizan con el fin de llevar el proceso a un nivel de productividad alto y con un rendimiento bastante significativo para hacer el negocio rentable.
Dentro de los factores más relevantes podemos encontrar los relacionados con la planta física (galpón) y las variables que afectan a los animales durante el tiempo de estadía en el galpón, de esta manera a continuación se presenta un análisis de las características básicas de los galpones para poder entender más acerca del desarrollo de los animales y las maneras con las cuales se puede mejorar la uniformidad del lote reduciendo al máximo la mortalidad de las aves a causa de enfermedades producidas por las variaciones y falta de condiciones estables dentro del área de crianza.
41
Distribución física del galpón y Tipos de Galpones. Es de vital importancia tener en cuenta como ya se había mencionado, los factores ambientales donde se encuentra ubicada la granja, ya que esto ayudará a determinar con mayor facilidad el tipo de galpón que se debe implementar; en algunos manuales de crianza28 se hace referencia a ambientes convencionales y ambientes cerrados. Los ambientes convencionales son más comunes en climas templados y cálidos, aunque los ambientes cerrados son utilizados también, pero con adecuaciones tales como monitoreo y control de la temperatura, flujo de aire, humedad y programas de iluminación. Otro de los factores que se debe tener en cuenta para la selección de un buen diseño de galpón es la densidad del lote, ya que si no es constante la densidad de los lotes que entran al galpón, este debe ser lo suficientemente versátil para poder seccionarlo.
Un punto importante en cualquier tipo de galpón es el aislamiento del techo, ya que es la parte que más horas de exposición a la radiación solar tiene durante el día, en galpones con una aislamiento baja o deficiente es aconsejable crear internamente una cámara de crianza la cual es propuesta en varios manuales y que consta de un cielo raso a la altura de los aleros del galpón lo cual permite crear una cámara por donde circula el aire entre el techo y el cielo raso, permitiendo así menores fluctuaciones de temperatura dentro de la cámara de crianza. Es recomendado que se instalen cortinas internas dentro del galpón de apertura hacia arriba, ya que esto reduciría las corrientes de aire muy fuertes a nivel de los animales haciendo más sencillo la creación de un ambiente controlado dentro del galpón, en la Figura 6. Cielo falso y cortinas para crianza, podemos ver el diagrama de la creación de cámara de crianza29. Figura 6. Cielo falso y cortinas para crianza
Fuente: Guía de manejo de pollo de engorde, COBB.
28
Cobb-vantrees, Guia de manejo del pollo de engorde. 29
Ibidem.
42
Sin embrago, en algunas zonas de Colombia, específicamente en el departamento de Santander es común encontrar galpones tipo túnel, en donde una de las culatas está abierta totalmente y en la otra se ubican los extractores de aire. En este tipo de instalaciones es esencial la orientación ya que corrientes de aire fuerte muy cálidas o demasiado frías pueden afectar los animales, por consiguiente para evitar este tipo de inconvenientes se utiliza la instalación de cortinas de operación manual similares a las instaladas en la parte exterior de los laterales, que son usadas para prevenir las corrientes de aire y para realizar control de la luminosidad dentro del galpón. Es evidente que en este tipo de galpones es más complejo lograr un ambiente controlado, sin embargo, una solución viable es la creación de cámaras de crianza como las descritas anteriormente, esto permitiría optimizar el espacio y además permitiría un manejo más adecuado de las variables influyentes en el proceso, en la Figura 7 se puede observar este tipo de galpón, de igual manera se puede observar la adecuación de esta misma clase creando una cámara de crianza en la Figura 830. Figura 7. Galpones tipo túnel de culata abierta
Fuente: Memorias Amebea 2008, Colombiana de Aves, http://colaves.com/index.php?option=com_content&task=view&id=45&Itemid=69
Figura 8. Galpón tipo túnel adecuado con cámara de crianza
Fuente: Memorias amebea 2008,Colombiana de aves, http://colaves.com/index.php?option=com_content&task=view&id=45&Itemid=69.
30
Gonzalez Ardila, Pedro, Limpieza y Aislaminto de galpones,VI seminario avícola del oriente ASPA, Bucaramanga, Colombia 12 de agosto de 2009.
43
Según los manuales de crianza un esquema ideal para los galpones tipo túnel, se obtiene creando un efecto de circulación del aire de un extremo del galpón al otro, permitiendo la entrada de aire frio por un lado como se muestra en la Figura 9, este aire es calentado por medio de las criadoras o calefactores de ambiente durante su arrastre al exterior. La calidad del aire es de gran importancia, debido a que las aves deben tener los niveles adecuado de oxígeno, y niveles bajos o mínimos de polvo, CO2, CO y NH3, pudiendo desencadenar en los animales en enfermedades del tracto respiratorio y ascitis.31. Figura 9. Distribución de aire homogénea
Fuente: Cobb-Vantress, Guía de manejo del pollo de, engorde, Cobb.
Existen también galpones de ambiente cerrado en los cuales se tiene un aislamiento mayor que en otro tipo de galones ofreciendo la posibilidad de crear microclimas, lo cual permite obtener un proceso mucho más eficiente con una reducción significativa de la mortalidad en los animales. Aunque este tipo de galpones es adecuado en cualquier tipo de clima, gracias a su aislamiento, son galpones de consto elevado y dependiendo del tipo de clima en el cual este ubicado la energía que se necesitará será mayor, en la Figura 10 y Figura 11 se puede observar la estructura de este tipo de galpones. Figura 10. Galpones cerrados de ambientes controlados
Fuente: Broiler Guide SPAN,COBB..
31
Manual de manejo de pollo de engorde Ross. Noviembre 2002
44
Figura 11. Galpones de ambiente controlado cerrados.
Fuente: Broiler Guide SPAN,COBB. En el ámbito mundial, este tipo de galpones es de gran utilidad en países con presencia de estaciones debido a que tienen la posibilidad tener producción en casi cualquier tipo de estación, ya que están aislados con menor incidencia del clima externo. Pero en lugares ubicados en el trópico, en climas templados y cálidos el manejo puede variar dependiendo de las fluctuaciones a lo largo del día y la noche. En Colombia no es común encontrar galpones de este tipo debido a su elevado costo y además por las condiciones climáticas en donde están ubicadas la mayor parte de las granjas, sin embargo, empresas como Distraves S.A. y Avidesa Mac Pollo S.A. poseen algunas granjas con galpones de ambiente cerrado. En conclusión, según los manuales de manejo de pollo de engorde pueden clasificarse en tres grupos, distribuidos en 3 climas principales de crianza que están definidos como (ross)32.
Climas Templados.
Climas cálidos y secos.
Climas cálidos y húmedos.
Es importante tener en cuenta dentro de los galpones los siguientes parámetros33:
Orientación: En clima cálido y medio el galpón debe ser orientado de oriente a occidente, así el sol no llega al interior del alojamiento, lo cual conllevaría a una alta elevación de la temperatura, además los pollos se corren hacia la sombra, produciendo mortalidades por amontonamiento. Sin embargo, si las corrientes de aire predominantes en la región son muy fuertes y fueran a cruzar directamente
32
Memorias AMEVEA, 2009. 33
http://www.proclave.com/servet/aviar/PolloEngorde.htm, [citado en 20 de Junio de 2010]
45
por el galpón se deben establecer barreras naturales para cortarlas (sembrar árboles) y al mismo tiempo proporcionan sombrío ver Figura 12. Para determinar la orientación es necesario determinar la dirección de los vientos dominantes, dependiendo de esto podemos recomendar las siguientes orientaciones34: Figura 12. Orientación de los galpones.
Fuente: Curso de avicultura. Escuela de Agricultura y Ganadería. Rivas, Nicaragua
En climas cálidos y templados - La galera debe ser orientada en dirección Este- Oeste, de esta manera los rayos del sol no penetraran dentro de ella. En climas fríos- La galera debe ser orientada en dirección Norte- Sur, de esta manera los rayos del sol entran en las primeras horas de la mañana y las últimas de la tarde.
Las dimensiones: varían de acuerdo al número de aves que se pretendan alojar por metro cuadrado ver Tabla 5 y a la topografía.
Tabla 5. Aves por metro cuadrado según el clima.
CLIMA AVES / m2
Templado 10 Cálido 8
Fuente: Curso de avicultura. Escuela de Agricultura y Ganadería. Rivas, Nicaragua
Por ejemplo, si se pretende construir un galpón para alojar 2000 pollos en clima medio (2000/10= 200 m2), necesitamos un galpón de 200 metros cuadrados, entonces las dimensiones de la construcción podrían ser de 20 m. de largo por 10 m. de ancho. Siempre rectangulares, nunca cuadrados.
34
Casta Navarro Acocer. Curso de avicultura. Escuela de Agricultura y Ganadería. Rivas, Nicaragua. 2002
46
El piso: es aconsejable que sea en cemento y no en tierra, para garantizar buenas condiciones de higiene, fácil limpieza y desinfección.
Las paredes: a lo largo del galpón deben estar formadas por una o dos hiladas de bloque en climas cálidos y templados (40 centímetros de alto) y malla para gallinero hasta el techo para permitir una adecuada ventilación. La altura ideal para la pared es de 2.50 metros en climas medios y de 2.80 para climas cálidos.
Los techos: de dos aguas y con aleros de 70 a 80 cm. para evitar la humedad por lluvias y proporcionar sombra. Se recomienda la teja de barro como aislante, para reducir la temperatura del galpón.
El sobre techo: se debe construir para la eliminación del aire caliente. Se recomienda pintar de blanco interna y externamente todo el galpón, paredes, culatas y techos, es una buena práctica para disminuir la temperatura interna.
La distancia entre galpones: debe ser por lo menos el doble del ancho de la construcción para evitar contagios de enfermedades y buena ventilación.
La poceta de desinfección: a la entrada de cada galpón, para desinfectar el calzado. Se utiliza un producto yodado, 20 cm. / litro de agua.
Bebederos, comederos y manejo de camas. Otro de los factores que son de gran influencia en los proceso de levante o crianza de pollos de engorde son la disposición de bebederos, comederos y manejo de las camas. Uno de los factores relevante dentro de los galpones es el manejo del agua, si bien es cierto en los manuales de manejo, se definen dos sistemas típicos para estos, que son de sistema abierto (de campana) y sistemas cerrados. (niple)(cobb).
Sistemas abiertos (De Campana). Una de las características más importantes de este tipo de sistema es su costo frente al de los bebederos de sistema cerrado o niple, sin embargo estos sistemas están expuestos a la contaminación debido a que el animal tiene acceso total al agua y por el mismo hecho de ser abierto, los gases presentes en el ambiente pueden contaminar el agua. Aunque son bebederos de fácil manejo deben ser lavados y desinfectados a diario lo cual implica mayor presencia del cuidador en el galpón lo que produce un mayor movimiento de agentes extraños dentro del galpón, estos bebederos son muy utilizados por su fácil mantenimiento35.
35
Ole Green, Esmaeil S. Nadimi, VIctoriaBlanes-VIdal, Rasmus N. Jorgensen, Ida M.L Drejer Storm, Claus Sorensen, Momitoring and modeling temperature variations inside silage stacks using
47
El monitoreo del agua en este tipo de sistemas es un poco más complejo que con bebederos de sistema cerrado, sin embargo, podría implementarse un sistema de monitoreo de calidad del agua para lograr un manejo óptimo de esta. Cabe anotar, que los bebederos de campana deben ser adecuados a la altura indicada por los manuales de manejo, es decir los animales no deben esforzarse para tener acceso al líquido, lo cual conlleva a tener sistemas automáticos o manuales de elevación de bebederos, provocando derrames de agua en la cama durante el procedimiento, generando problemas de cama húmeda. El número de bebederos debe ser de acuerdo a las especificaciones de los proveedores de estos, por ejemplo, Plasson una industria que fabrica bebederos de campana especifica en un catálogo de sus productos que por cada 1000 aves deben instalarse de 8-10 bebederos, lo cual quieres decir que un solo bebedero soporta un suministro agua para 100-125 animales, lo cual es un número alto y un punto a favor para este sistema de suministro de agua.
Sistemas cerrados (Niple). Son sistemas más recomendables debido a que el agua no está expuesta a las aves, se maneja con un sistema de goteo, que permite un uso más racional del agua, menos desperdicio y menor contaminación de esta. El desarrollo de estos sistemas ha evolucionado con el tiempo, buscando mayor efectividad, menor frecuencia de mantenimiento y mayor rendimiento por número de aves. Debe recordarse que existe un número determinado de aves por niple y que la distancia entre niples debe ser de 35cm y contrario a los bebederos de campana en sistemas abiertos los bebederos de niple soportan un número de aves entre 10-20 aves por niple o tetina, lo cual incrementa el número de bebederos dentro del galpón y la infraestructura de este. Aunque su costo es elevado y la infraestructura es mayor, son sistemas en los cuales se pueden implementar sistemas de monitoreo y de control con mayor facilidad que en bebederos de sistema abierto. Debe recordarse que la instalación y manejo están consignados en la mayoría de los manuales de manejo de pollos de engorde y en los manuales de uso de los productos suministrados por el fabricante.
Comederos. La ubicación de los comederos juegan un papel importante en el proceso de crecimiento del animal, una combinación equilibrada de consumo de agua y alimento proporcionaran un desarrollo uniforme del animal. Estos deben ser ubicados de manera uniforme de acuerdo a la densidad de población del galpón
novel wireless sensor networks accepted 29 july 2009. Comput.Electron. Agric. (2009), doi;10.1016/j.compag.2009.07.021
48
haciendo referencia a los manuales de manejo, en donde se recomienda un número determinado de animales por comedero, otro factor que influye es la altura, ya que el animal debe tener fácil acceso al alimento, sin tener que bajar su cabeza para consumirlo. Normalmente se recomiendan comederos de un diámetro de 33cm por cada 60-70 aves, dichos comederos son recomendados, ya que permiten libertada al animal de moverse por el galpón garantizando mayor conversión del alimento. En la Tabla 6 se proporciona una idea de cuantas líneas de comederos deben instalarse de acuerdo al ancho del galpón16 Tabla 6. Distribución para líneas de comederos.
Ancho del galpón Número de líneas de alimentación
Hasta 12,8 m 2 líneas
De 13 m a 15 m 3 líneas
De 21 m a 25 m 5 líneas
Fuente: Cobb-vantress, Guía de manejo del pollo de engorde
Para los comederos automáticos de cadena debe darse un espacio por ave, incluyendo los dos extremos de la cadena. Para este tipo de sistema es necesario que la banda este a nivel del lomo de las aves, es importante el mantenimiento de la banda y la tensión de la cadena para evitar inconvenientes con el suministro del alimento.
49
4. METODOLOGÍA. El actual proyecto requiere ser dividido en fases, debido a que el conocimiento de los procesos de crianza de pollos de engorde es de vital importancia para cumplir con los objetivos que este propone. De esta manera la primera fase se basara en la recolección de datos mediante visitas de campo que permitan hacer una evaluación de la infraestructura de los galpones que serán objeto de monitoreo y las condiciones climáticas y ambientales de su ubicación. De igual manera, durante esta fase se realizará una evaluación de la tecnología implementada si existe, es importante en esta fase realizar entrevistas con los criadores expertos y con los cuidadores de los galpones, ya que ellos poseen información valiosa para el desarrollo del proyecto. Como segunda fase debe realizarse una revisión bibliográfica sobre el tema, ya que esto ayuda a comprender más a fondo lo consultado con los criadores, veterinarios y cuidadores de los galpones. Por último, debe realizarse un estudio sobre Redes Inalámbricas de Sensores, su versatilidad, su aplicación, así como el efecto y el funcionamiento en el monitoreo de variables ambientales, tanto en galpones abiertos como cerrados, durante esta fase es necesario realizar muestreos de las variables a estudiar para observar su comportamiento y de esta manera poder definir la topología a utilizar y la clase de sensores que deben ser seleccionados. De esta manera se propone dividir el proyecto en 3 macro fases, las cuales incluyen tareas específicas para cada una y así poder desglosar los temas que van a ser relevantes durante el desarrollo del proyecto
4.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. La investigación realizada es de tipo Empírico analítica. Este proyecto se encuentra en este lineamiento, puesto que busca la aplicación de tecnologías vanguardistas para una industria de gran importancia y relevancia en el país, como es la avícola, específicamente la cría de pollos de engorde.
4.2. LINEA DE INVESTIGACIÓN. LINEAS INSTITUCIONALES: Tecnologías actuales y sociedad. SUBLINEAS DE LA FACULTAD: Sistemas de información, comunicación y procesamiento de señales. CAMPOS DE INVESTIGACIÓN: Comunicaciones, análisis y procesamiento de señales.
50
5. DESARROLLO INGENIERIL El presente documento pretende hacer la descripción del diseño de una red de sensores inalámbricos para el monitoreo de variables ambientales relevantes durante el proceso de levante de pollos de engorde, así como la realización de la interfaz de visualización en el anexo 9 se puede observar la estructrura general del proyecto.
5.1 SELECCIÓN DE VARIABLES INFLUYENTES EN EL PROCESO DE ENGORDE DE POLLOS
La metodología que se utilizó para realizar este selección se dividió en dos partes: la primera una revisión bibliográfica de manuales y literatura referente a la crianza de los pollos de engorde, variables que afectan su crecimiento y desarrollo del animal; segundo se realizó entrevistas a personal experto en el tema, dueños de criaderos y cuidadores.
5.1.1. Revisión Bibliográfica Crianza Pollos de Engorde “La producción de pollo ha tenido un desarrollo importante durante los últimos años y está muy difundida a nivel mundial, especialmente en climas templados y cálidos, debido a su alta rentabilidad, buena aceptación en el mercado, facilidad para encontrar muy buenas razas y alimentos concentrados de excelente calidad que proporcionan aceptables resultados en conversión alimenticia. (2 kilos de alimento para transformarlos en 1 kilo de carne)”36. Existen diferentes variables que afectan el sano crecimiento del pollo durante su crecimiento, como lo son el almacenamiento del alimento, temperatura, humedad, iluminación, salubridad, la crianza de pollos de engorde, calidad de agua, entre otros que a continuación se explicarán.
Almacenamiento del alimento. El almacenamiento de alimento juega un papel importante, ya que de este depende una buena calidad del alimento proporcionado a los animales. Existen diversas formas de almacenar el alimento, algunas de estas formas dependen de la forma de distribución que se utilice, si la distribución del alimento es manual este normalmente se almacena en bultos; si por el contrario el alimento es de distribución automática se almacena en silos para mayor facilidad de distribución.
Es importante el monitoreo de la calidad del alimento en su almacenamiento, ya que esto garantizará buena salud en los animales y un buen consumo por parte de estos. Sin embargo, el monitoreo del alimento cuando este se encuentra
36
http://www.proclave.com/servet/aviar/PolloEngorde.htm, [citado en 18 de abril de 2011]
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almacenado en bultos o sacos de polipropileno se realiza de manera visual y a conocimiento del cuidador, lo cual esta propenso a errores humanos pues si la zona es muy húmeda o el alimento está almacenado desde hace mucho tiempo puede llegar a desarrollar hongos y agentes patógenos para los animales. Caso diferente al almacenamiento en silo, que puede ser monitoreado con mayor facilidad; controlando la humedad del silo y la entrada de aire, ya que por acción de la oxidación y a causa de la humedad el alimento genera hongos. Hasta el momento no se ha documentado un sistema de monitoreo de silo en la industria avícola, sin embargo existe un sistema propuesto en una investigación, para monitoreo de alimento para ganado almacenado en silos. 30
Mediante el control de la humedad y del aire que se encuentra en el silo se puede medir el nivel de fermentación y creación de cultivos de bacterias que producen hongos en el alimento, es importante para este proceso que la cantidad de aire que ingrese al silo debe ser mínima por esta razón el silo debe tener un sistema de cerrado hermético para evitar este problema. Investigaciones realizadas en este campo proponen como herramienta de monitoreo una red de sensores inalámbricos (WSN) realizando un constante monitoreo de la humedad y de la cantidad de oxigeno presente en el silo, de esta forma y por medio de relaciones matemáticas se puede calcular el nivel de oxidación del alimento.
Temperatura. La temperatura es una variable que afecta de manera directa el crecimiento y desarrollo de los pollos, así como la calidad de la carne (producto final) razones por las cuales es importante mantener una temperatura constante, además de no tener picos que afecten al pollo. Las altas temperaturas pueden alterar el sistema vascular de los pollos causando lesiones superficiales. Cuando la temperatura aumenta se presenta vasodilatación y fragilidad vascular produciendo contusiones en la piel del pollo37. Así mismo, los cambios bruscos de temperatura generan estrés en los pollos acelerando cambios bioquímicos que afectan la contextura del producto final específicamente en el área del pecho38. Por otra parte, si las temperaturas son demasiado bajas los pollos también presentan ruptura vascular en los músculos pero sin ningún efecto evidente en el
37
Kun, z.1, A.n. Uluocak1 and M. Karamanthe. 2005. Influence of some factors on carcass defects during fattening period in broilers. Poultry Science 38
S. R. Mckee and A. R. Sam.The Effect of Seasonal Heat Stress on Rigor Development and the Incidence of Pale, Exudative Turkey Meat.Department of Poultry Science, Texas A&M University System, College Station, Texas 77843-24721997 Poultry Science 76:1616–1620
52
cuerpo39. De igual manera, la presión arterial pulmonar aumenta teniendo como consecuencia que la salida cardiaca crezca, obligando a un gasto de oxigeno mayor para poder normalizar la presión reduciendo la salida cardiaca generando en el pollo, un gasto extra de energía40. El estrés por calor en los pollos genera retraso en los procesos metabólicos del animal, en la ingesta y digestión de los alimentos, el poco apetito, mayor gasto de energía en la síntesis de proteínas y poco aumento en la masa muscular41. Los diferentes manuales para crianza de pollos de engorde mencionan temperaturas diferentes según la etapa de crecimiento en la que se encuentren los pollos, sin embargo, la diferencia entre un manual y otro es de uno o dos grados, es por esta razón que la experiencia de los criadores de pollos influye en su cuidado. La Tabla 7 Temperaturas Durante la Crianza del Manual de Pollos de Engorde Ross42. Tabla 7. Temperatura durante la crianza.
GALPONCOMPLETO CRIANZA EN UN ÁREA DEL GALPÓN
Edad(días)
Temp. °C
Edad (días)
Temperatura °C
Borde del galpón Zona central Extremos del galpón
1 29 1 30 27 25
3 28 3 28 26 24
6 27 6 28 25 23
9 26 9 27 25 23
12 25 12 26 25 22
15 24 15 25 24 22
18 23 18 24 24 22
21 22 21 23 23 22
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
Los criadores de pollos de engorde antes de la llegada de los pollos al galpón lo adecuan de la siguiente manera:
39
R. W. Kranen,1 C. W. Scheele, c. h. Veerkamp, e. Lambooy, t. h. van Kuppevelt, and J. H. Veerkamp . Susceptibility of Broiler Chickens to Hemorrhages in Muscles: The Effect of Stock and Rearing Temperature Regimen. 1998 Poultry Science 77:334–341 40
R. F. Wideman, Jr.1 and C. D. Tackett.Cardio-Pulmonary Function in Broilers Reared at Warm or Cool Temperatures: Effect of Acute Inhalation of 100% Oxygen. Department of Poultry Science, University of Arkansas, Fayetteville, Arkansas 7270.2000 Poultry Science 79:257–264 41
G. C. Mead. Poultry meat processing and quality, Woodhead Publishing Limited Abington Hall, Abington Cambridge CB1 6AHEngland.2004 42
Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross. AvigenIncorporated. Departamento de Servicios Técnicos de AviagenLimited en Newbridge
53
Mantener luz en los galpones: Un bombillo de 25 watts cada 20 metros cuadrados es suficiente para alumbrar el paso del avicultor en sus visitas nocturnas43.
Encender la calefacción 24 horas antes de que lleguen los pollitos a temperatura de 32 a 37°C con el objetivo de estabilizar la temperatura43
La temperatura de la criadora será reducida de 2 a 3º C por semana hasta que queda a la temperatura del local43.
En la práctica el mejor termómetro para determinar si la temperatura de los criaderos es correcta, es a través de la posición y actividad de los pollitos. En las siguientes Figura 13, Figura 14, Figura 16, Figura 15 se indica el comportamiento de los pollos en dependencia de la temperatura y las corrientes de aire que pueden darse en el galpón. Figura 13. Comportamiento de aves en clima frío
Fuente: Curso de avicultura Casta Navarro Acocer. Figura 14. Comportamiento de aves en clima cálido
Fuente: Curso de avicultura Casta Navarro Acocer.
43
Casta Navarro Acocer. Curso de avicultura. Escuela de Agricultura y Ganadería. Rivas, Nicaragua. 2002
54
Figura 15. Comportamiento de aves bajo corrientes de aire.
Fuente: Curso de avicultura Casta Navarro Acocer.
Figura 16. Comportamiento de aves en condiciones normales.
Fuente: Curso de avicultura Casta Navarro Acocer.
Humedad. Los sistemas en los que se calienta todo el galpón, particularmente si cuentan con bebederos de niple (tetina o chupón) pueden tener porcentajes de humedad relativa de tan solo 25%. Si el equipo es más convencional (como por ejemplo, las criadoras de campana que producen humedad como subproducto de la combustión y los bebederos de campana que presentan superficies abiertas de agua) generan niveles más elevados de humedad relativa, por lo general por encima del 50%. Con el objeto de reducir el impacto que sufre el pollo después de sacarlo de la incubadora, los niveles de humedad relativa durante los primeros 3
días deben ser del 70% mínimo. Cuando la humedad desciende genera en los pollos deshidratación, que tiene efectos negativos sobre el rendimiento del animal, en estos casos es necesario tomar medidas adecuadas para incrementar la humedad. Esta humedad se puede elevar si el galpón cuenta con boquillas de aspersión o nebulizadores para enfriar el ambiente Conforme crece el pollito, el nivel ideal de humedad relativa debe disminuir. El exceso de humedad relativa de los 18 días en adelante, puede causar cama húmeda y todos los problemas con ella asociados. Conforme se incrementa el peso corporal de los pollos, se pueden controlar los niveles de humedad relativa usando los sistemas de ventilación y calefacción12.
55
Interacción entre la temperatura y la humedad. Es de vital importancia mencionar que todos los animales generan calor y lo eliminan hacia el medio ambiente, mediante transpiración de la humedad procedente de su tracto respiratorio y a través de la piel. Cuando se eleva la humedad relativa se evapora el calor y esto aumenta la temperatura aparente de los animales; esta depende de la combinación de la temperatura de bulbo seco y de la humedad relativa. El perfil de temperatura que se presenta en la Tabla 8, corresponde a los rangos de temperatura ideales para el cuidado de los pollos dentro de los galpones.
Tabla 8. Temperatura de bulbo seco requeridas para lograr temperaturas a diferentes niveles de humedad relativa.
Edad (días)
Convencional Temperatura ante la Humedad Relativa
Temp. (°C)
Hum. Rel (%)
Ideal
50 % 60 % 70 % 80 %
0 29 65-70 33.0 30.5 28.6 2.0
3 28 65-70 32.0 29.5 27.6 26.0
6 27 65-70 31.0 28.5 26.6 25.0
9 26 65-70 29.7 27.5 25.6 24.0
12 25 60-70 27.2 25.0 23.8 22.5
15 24 60-70 26.2 24.0 22.5 21.0
18 23 60-70 25.0 23.0 21.4 20.0
21 22 60-70 24.0 22.0 20.5 19.0
24 21 60-70 23.0 21.0 19.5 18.0
27 21 60-70 23.0 21.0 19.5 18.0
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
Cuando la temperatura se eleva hasta los 31°C se incrementa en los pollos el jadeo, con posiciones características en la disipación de calor por conducción y convección. Los pollos permanecen echados, extienden sus extremidades (alas y patas) y escarban, se bañan en la cama o buscan zonas más húmedas bajo los bebederos44,45,46. ver Figura 17
44
Anderson KE, Carter T. Hot weather management of poultry. North Carolina State University. 1998. URL: www.ces.ncsu.edu/depst/puolsci/techinfo/4Pst30.htm 45
Daghir NJ, Ernst RA. Housing for improved performance in hot climates.Poultry production in hot climates.Faculty of Agricultural Science United Arab Emirates University.ArabianEmirates 46
Quiles A, Hevia ML. Fisiologismo de la termorregulación en las gallinas. Departamento de producción animal. Facultad de Veterinaria. Universidad de Murcia. España.
56
Figura 17. Posiciones características del ave en disipación de calor por conducción, convección y evaporación.47
Fuente: En la web: Efecto de la temperatura y la humedad relativa en los parámetros productivos y la transferencia de calor en pollos de engorde. http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281
La humedad y la temperatura tienen efectos directos sobre el consumo de alimento y el porcentaje de mortalidad, en la Tabla 9 se puede observar un mayor consumo de alimento a una temperatura de 19°C. en este estudio se evidencia que el consumo de alimento de los pollos es inversamente proporcional al aumento de la temperatura del aire en el rango de temperaturas empleado en el estudio publicado por la Revista colombiana de Ciencias Pecuarias. Tabla 9. Efectos de la temperatura ambiental y humedad relativa en el consumo de alimento y porcentaje de alimentación, 75% de HR48
Temperatura (°C)
Consumo de alimento (g/ave/periodo) Mortalidad
(%) Etapa cría Etapa de engorde experimental
19 914.08 2908.58 2.186
25 949.74 2807.1 2.27
31 903.10 2477.43 5.047
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
Programas de iluminación. El sistema de iluminación que han utilizado convencionalmente los productores de pollo ha sido el de luz continua, con el objeto de elevar al máximo la ganancia diaria de peso. Este sistema consiste en un período prolongado de iluminación continua, seguido de una breve oscuridad (de media a una hora) para hacer que las aves se acostumbren a la oscuridad en caso de que falle la corriente eléctrica. Otro factor que afecta directamente la calidad de vida de los pollos es la luminosidad, ya que esta delimita las horas de ingesta de alimento y agua. Es necesaria una adecuada estimulación de las aves durante los primeros 5 a 7 días para obtener niveles óptimos de consumo de alimento y para un buen desarrollo de los sistemas inmune y digestivo.
47
http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281 [citado en 5 de mayo de 2011] 48
http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281 [citado en 4 de mayo de 2011]
57
Las recomendaciones para la iluminación dentro de los galpones debe ser de 25 lux (2,5 pies-vela o foot-candle) medido a la altura del pollito durante la crianza para estimular ganancia de peso temprana. La intensidad de luz a nivel del piso no debería variar más de un 20%. Después de los 7 días de edad, o preferiblemente a los 150 gramos de peso corporal, la intensidad de la luz debe disminuirse gradualmente hasta alcanzar de 5 a 10 lux (0,5 a 1 foot-candle). La luminosidad dentro del galpón debe ser uniforme49. El primer día de los pollos dentro del galpón debe ser 24 horas de luz para que el animal pueda adecuarse al lugar y asegurar un buena ingesta de alimento y agua. La luz en la segunda noche debe apagarse a una hora que determinará la hora de apagado de las siguientes noches dentro del galpón, lo que daría es la hora en la que se encienden las luces. La energía es conservada durante el descanso, llevando a una mejora en conversión alimenticia, así mismo el periodo de luz y oscuridad aumentan la producción de melatonina que es importante para el desarrollo del sistema inmune50. Los programas de luminosidad son importantes porque las aves adaptan su conducta de alimentación de acuerdo con la reducción en las horas de luz al día (fotoperiodo). Las aves cambian su patrón de alimentación durante las horas de luz, almacenando alimento en el buche antes de que se inicie el período de oscuridad. Además, también pueden comer mientras las luces están apagadas. Se cree que estos cambios en el comportamiento mejoran el consumo de alimento y la eficiencia alimenticia durante la vida de la parvada. Para estos planes es necesario que existan transiciones entre luz-oscuridad y viceversas. En el manual de pollos de engorde Bross51 se recomienda que por lo menos existan 5 transiciones, que duren entre 40 y 50 minutos. En este manual proponen diferentes planes de luminosidad dependiendo del peso meta (Ver Tabla 10, Tabla 11). Tabla 10. Programa de días cortos con incremento gradual de la luz, adecuado para parvadas o machos mixtos sacrificados a más de 2 kg52.
EDAD (días)
LUZ (horas)
OSCURIDAD (horas)
0-6 23 1
49
B. Wang, B. M. Rathgeber, T. Astatkie, and J. L. MacIsaac. The Stress and Fear Levels of Microwave Toe-Treated Broiler Chickens Grown with Two Photoperiod Programs.2008 PoultryScience 87:1248–1252 50
Gainesville G, Gingerich EN, Donald J. Influencia del calor en aves de carne y huevos. Control y manejo. Revista avícola de Honduras. 2003 URL: www.visionveterinaria.com/prion/avescalor.html[citado en 4 de mayo de 2011] 51
http://www.engormix.com/bioseguridad_avicola_s_articulos_1391_AVG.htm[citado en 4 de mayo
de 2011]
52 http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281[citado en 4 de mayo de 2011]
58
7-21 18 6
22-28 20 4
29 al mercado 23 1
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
Tabla 11. Programa de día corto adecuado para parvadas desarrolladas a 2 kg53.
EDAD (días)
LUZ (horas)
OSCURIDAD (horas)
0-6 23 1
7-21 20 4
22 al mercado 23 1
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
Programas de Iluminación Intermitente Consiste en administrar el alimento al pollo en porciones, es decir en periodos breves y periodos prolongados de oscuridad. La regulación de este tipo mejorar la salud de las patas y la calidad de las canales (menor incidencia de lesiones pódales, ampollas en pechuga) ver Tabla 12. Programa de iluminación intermitente adecuado para parvadas sacrificada a 42 días. Tabla 12. Programa de iluminación intermitente adecuado para parvadas sacrificada a 42 días54
EDAD (días)
LUZ OSCURIDAD
(horas)
LUZ OSCURIDAD
(horas)
LUZ OSCURIDAD
(horas)
LUZ OSCURIDAD
(horas)
0-6 23 1
7-35 5 1 5 1 5 1 5 1
36-42 23 1
Fuente: Manual de Manejo de Pollos de Engorde Ross
El agua es uno de los nutrientes más importantes para el desarrollo de los pollos, su consumo se ve afectado directamente por la humedad, la temperatura y la composición de la dieta. Medidas de calidad de agua incluyen pH, niveles de minerales y el grado de contaminación microbiana. Es muy importante que el consumo de agua aumente con los días. Si el consumo de agua disminuye en cualquier momento, la salud de las aves, ambiente del galpón o las condiciones de manejo deben ser revisadas.
53
http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281, [citado en 4 de mayo de 2011] 54
http://rccp.udea.edu.co/index.php/ojs/article/viewFile/284/281, [citado en 4 de mayo de 2011]
59
Bioseguridad. Cuando se maneja animales en grandes cantidades, se debe tener extremo cuidado con las enfermedades, los animales cercanos, las personas que visitan las granjas y con la higiene tanto personal como la de la granja y animales. Hoy en día, no solo es importante preocuparse por los animales de las granjas, también hay que tener un sentido ambiental, es verdad que no hay que sacrificar la calidad y la productividad, pero tampoco se puede acabar con todo lo que se tenga al alcance. El ambiente puede causar tanto daño a la granja, como la granja al ambiente. Entonces, se debe pensar en bioseguridad como un conjunto en el que hagan parte varios factores como calidad, productividad, sanidad (exterior e interior), costos y cualquier otra variable que influya en el criterio productivo55.
Figura 18. Traje de bioseguridad
Fuente: En la web, http://www.observatorio.saludsantander.gov.co/noticias/42-16440144.jpg.
La bioseguridad es parte fundamental de cualquier proceso de producción de cárnicos, desde el crecimiento de los animales hasta el empacado de su carne, ya que cualquier error en cualquier parte del proceso podría llevar a la pérdida parcial o total de la producción. Las medidas de seguridad pueden variar de un tipo de animal a otro, pero las reglas básicas son comunes para todos ver Figura 18. Traje de bioseguridad. En cuanto al manejo de pollos de engorde, se debe tener en cuenta que estos animales son muy delicados y cualquier problema que exista con ellos puede retardar su periodo de crecimiento, que estos no alcancen el peso deseado o que sea necesario sacrificar la parvada completa, lo que se representaría en grandes pérdidas. Es por esta razón que la bioseguridad en los galpones avícolas es tan importante,
desde el punto de vista biológico se podría decir que son medidas básicas de
higiene que permiten dar una mejor calidad al producto, permite que los nuevos
animales que van ocupando el galpón no contraigan enfermedades de los
animales anteriores, ni de las personas u otros animales que visiten la granja.
Para esto, es necesario recoger la gallinaza si es posible quemarla, limpiar el
55
http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n020205/020511.pdf, [citado en 4 de junio de 2011]
60
galpón, desinfectarlo, desinfectar los vehículos que acceden a la granja incluyendo
sus ruedas, vestir a los operarios y a los visitantes con botas, tapabocas, guantes
y si es posible que entren con ropa totalmente limpia o plástica pero desinfectada
(ver
Tabla 13), mantener limpios comederos y bebederos, entre muchas otras56.
Tabla 13. Elementos básicos para bioseguridad Puntos de Bioseguridad Insumos Acción
Entrada de personal a granja Baños, ropa, desinfectantes Higiene de personal y material Entrada de vehículos a granja Desinfectante Desinfección
Entrada de aves a granja Desinfectantes, rodenticidas, insecticidas.
Antibiótico Antifúngico
Antiparasitaria Neutralizar toxinas
Agua Desinfectantes Desinfección Entrada de implementos
a granja Desinfectantes Desinfectantes
Planta de incubación Desinfectantes Desinfectantes Ubicación de las granjas Granjas en zonas con bajo
desafío de agentes patógenos
Aislamiento
Fuente: En la web http://www.engormix.com/bioseguridad_avicola_s_articulos_1391_AVG.htm,
La bioseguridad eleva los costos al productor pero le asegura calidad a su producto y una producción mucho mayor con menores perdidas, le da una buena relación costo beneficio. Se debe tener en cuenta que al implementar un programa de bioseguridad se aumentan costos de producción, pero aumenta la calidad de la carne, los pollos llegan a su peso ideal en un tiempo más corto, los costos por vacunas bajan, se aumenta la producción. Y teniendo en cuenta que la mayoría de los equipos utilizados en bioseguridad, se pueden adaptar a las tuberías y equipos existentes en el galpón, lo que disminuye en parte los costos de implementación e instalación de cualquier equipo necesario.
Ventilación y Calidad del aire. La gallinaza y desechos que produce el pollo a través de su periodo de crecimiento, aumenta los niveles de contaminación del aire en el galpón, esto puede ser un inconveniente, puesto que los animales pueden presentar problemas respiratorios crónicos o morir por intoxicación.
56
http://www.soler-palau.com.mx/casosaplicacion2.php, [citado en 4 de mayo de 2011]
61
Es necesario mantener los niveles de contaminación y humedad al mínimo, esto puede lograrse mediante una ventilación adecuada, lo que se busca en este punto es que a medida que crecen los pollos se vaya teniendo una tasa mínima y máxima de ventilación la cual depende de la cantidad de peso por metro cúbico en una hora, mientras que esta condición de ventilación se cumpla se puede asegurar una buena ventilación en el galpón. Esto permite calidad de vida para la parvada y que los tiempos de producción se cumplan28. Además de contar con un buen sistema de ventilación ya sea natural o mecánica
(por depresión o sobrepresión)57, lo que permitiría mantener dentro del galpón
niveles bajos de gases tóxicos como anhídrido carbónico y amoniaco, entre otros,
y así lograr una buena calidad del aire, al monitorear esta última podremos saber
si el trabajo con la ventilación se está cumpliendo, mediante diferentes tipos de
equipos que miden la cantidad de algunos gases presentes en el galpón, humedad
relativa, temperatura o también se pueden incluir aditivos químicos en la comida o
cama, con los cuales se asegura en parte la producción de gases tóxicos. Como
se puede observar en la Figura 19 y Figura 20
Figura 19. Ventilación mecánica
Fuente: En la web, http://www.soler-palau.com.mx/casosaplicacion3.php,
57
http://www.ozonodeextremadura.com/informes_tecnicos/ANIMALES/aves.pdf, [citado en 4 de
mayo de 2011]
62
Figura 20. Ventilación mecánica por depresión
Fuente: En la web, http://www.soler-palau.com.mx/casosaplicacion3.php
Aunque también se puede mejorar la calidad del aire y del agua mediante otros métodos como la utilización de ozono, el cual controla las sustancias toxicas producidas por el excremento de las aves y la propagación de gérmenes, elimina el mal olor y descongestiona el ambiente. Y pues también cumple un papel importante en la purificación del agua.
Calidad del agua. Al hablar de calidad del agua se puede tener en cuenta que cualquier agua que sea apta para el consumo humano, será apta para el consumo animal, al no pasar por alto esta recomendación, los pollos tendrán un crecimiento sano y normal. Si esto no se cumple se pueden tener varios problemas, no solo de tipo sanitario, sino también en la estructura física del galpón como bebederos, tuberías, entre otros.
El agua en el galpón tiene que estar a temperatura ambiente, al estar muy fría o muy caliente, se podría afectar el normal crecimiento de los pollos, entre mayor calidad se encuentre en el sostenimiento del pollo mejor será su carne, se debe tener sumo cuidado con los excesos de minerales, contaminación bacteriana y cualquier otra cosa que afecte la pureza del agua. Cuando el agua contiene demasiados sedimentos podría afectar, la distribución ya que los bebederos podrían taponarse y no permitir el paso de líquido. La contaminación bacteriana podría producir salmonella u otros males en la parvada y hacer que esta se pierda si no se trata adecuadamente. Seria de mucho beneficio contar con equipos que solucionen esta clase de problemas o por lo menos que los traten de evitar al máximo, si no se cuenta con estos hay otras formas de evitar estos inconvenientes.
Entrevistas con Personal Especializado en Avicultura
Para efectos del proyecto, es necesario obtener información de fuentes primarias, dicha información permite identificar de manera detallada las necesidades de este sector de la industria. Con esta finalidad se realizaron una serie de visitas a
63
diferentes lugares del país para entrevistar avicultores y veterinarios expertos en el tema, a los cuales se les aplico una entrevista (ver Anexo No. 1), a continuación se encuentra un resumen de los datos más importantes de las entrevistas realizadas. Ubaque Cundinamarca. La primera de estas visitas se realizó en el municipio Ubaque Cundinamarca, en este lugar se encuentra un pequeño grupo de avicultores que se dedica a la producción de huevo y carne. Es importante entender en que consiste el proceso ya que para la avicultura existen diferencias entre los productores de carne y los que producen carne y huevo, a los primeros les interesa que el animal gane peso rápidamente para así poder sacar la mayor cantidad de carne de canal en el año. A los segundos, aunque les importa también el tiempo y que los animales ganen peso, se enfocan más en la parte del desarrollo sexual del animal, puesto que, de esto depende que el animal pueda poner la cantidad deseada de huevos mientras esta en su etapa de madures. El proceso de las gallinas ponedoras dura alrededor de 7 meses, en las primeras 10 semanas el animal está en su periodo de levante, el cual es el más crítico, donde se debe mantener al animal con una temperatura de 26 a 28 grados de temperatura y con una humedad relativa del 50%, los galpones a este nivel deben contar con cortinas las cuales se colocan de forma manual o mecánica ver Imagen 1 para que la temperatura se conserve o se disperse según sea la necesidad. Aunque el resto del proceso es algo complejo, para las necesidades que se plantean en el proyecto no es necesario, pero básicamente comprende en el periodo donde las gallinas ponen huevos, los galponeros de la Avícola Cascavita estiman que cada gallina pondrá un huevo diario durante las restantes 18 semanas, esta pequeña empresa cuenta con 4 granjas avícolas, cada una con una capacidad aproximada de 16000 animales, es decir que se tendrán 64000 huevos diarios. El final de este ciclo de producción llega cuando la gallina llega a su edad adulta a las 28 semanas, en este momento solo pondrá un poco más de 4 huevos en la semana y consumirá la misma cantidad de alimento, así que es mejor pasarla a sacrificio y volver a empezar el ciclo de producción. Imagen 1. Sistema de cortina mecánica
64
Fuente: Autores
Aunque en Ubaque se tiene una buena producción de huevo, las granjas avícolas no cumplen todas las medidas de bioseguridad, aunque tendrán que hacerlo rápidamente para cumplir con los requerimientos del ICA. Barbosa Santander. En Santander se encuentran algunas de las empresas avícolas más grandes del país, es por esta razón que los pequeños avicultores de esta región tienen que esforzarse al máximo para ofrecer un producto de óptima calidad, en Barbosa se realizó una visita a la empresa avícola Klo klo y otras granjas avícolas del sector, la cual cuenta con 100000 animales aproximadamente distribuidos en varias granjas. Como es común en el país esta granja cuenta con galpones hechos en estructura metálica, encerrados por una malla especial para aves, con base hecha en una plancha de cemento y muros hechos en bloque de 60 a 80 cm de altura (Imagen 2). Imagen 2. Tipo de galpón más común en el país.
Fuente: Autores
A diferencia de otras partes del país, Santander es un departamento que en cuanto a la avicultura se enfoca en la producción de pollos de engorde, se estima que la producción sale en un periodo de 8 a 12 semanas, la mortalidad de las aves en estas granjas no supera el 3%, de no ser así se podría decir que la producción comenzaría a entrar en perdidas, es por esta razón que debe tener el mayor recelo con el cuidado de los animales.
En Barbosa, es el primer lugar del país donde se logró observar pollos de varias edades y así lograr entender mejor el proceso de crianza de estos animales (Imagen 3), en sus primeros días los animales ocupan un pequeño espacio dentro del galpón, se podría decir que solo ocupan una novena parte del galpón, son casi 100 animales por metro cuadrado, con el fin de reducir los esfuerzos para mantener el galpón a la temperatura adecuada, si los pollitos estuvieran en la totalidad del galpón, abría demasiado espacio entre ellos y sería muy complicado
65
mantener la temperatura con poca energía, pero al tenerlos muy juntos solo se calienta un pequeño sector del galpón por lo general en la noches o cuando es temporada de lluvias. En los últimos días de producción se estima que hay 12 animales por metro cuadrado.
Otra parte fundamental de la crianza de estos animales se encuentra en la calidad del alimento y bebida que deben consumir. En algunas granjas se encontró que el agua que proporcionan para estos propósitos de crianza es mejor que la de muchos acueductos del país, las medidas de asepsia y bioseguridad son extremas, ya que cualquier agente extraño dentro de la granja podría traer alguna enfermedad y así la producción siga dentro de un nivel estable, el hecho de vacunar o tratar a todos los animales reduce críticamente las ganancias. La atención a este tema debe ser tan estricta que uno de los requerimientos del ICA para evitar la contaminación entre granjas es que cada una tenga un arco de desinfección para vehículos (Imagen 4). Imagen 3. Pollitos de 3 días, ubicados en una porción del galpón.
Fuente: Autores
Imagen 4. Arco de desinfección de vehículos.
66
Fuente: Autores
Moniquirá - Boyacá. Boyacá no es un departamento avicultor en gran medida, pero cuenta con una de las empresas más grandes y que reporta la mayor cantidad de ganancias en este sector, gracias a esto se pueden encontrar pequeñas granjas avícolas en el sector de Moniquira además de su cercanía a Barbosa lo cual también ayuda a que exista avicultura en este sector de Boyacá. A pesar que el fuerte de Moniquira no es la avicultura, las granjas avícolas ubicadas en este sector cuentan con muy buenos programas de bioseguridad y utilizan algunas tecnologías basadas en gas para mantener la temperatura adecuada dentro de los galpones (Imagen 5), el manejo de aguas y alimentos para los animales es impecable y como en Barbosa algunos de sus galpones cuentan con sistemas de bebedero de chupo, lo cual evita infecciones y enfermedades en los animales. Imagen 5. Cilindros de gas para el sistema térmico del galpón.
Fuente: Autores
En este lugar, se encuentran además del arco de vehículos instalaciones sanitarias para visitantes, en las cuales se debe ingresar por un lado, despojarse de toda la ropa y cualquier implemento que se cargue, ducharse, salir por otra
67
parte de la instalación, ponerse un overol y unas botas de la granja avícola correspondiente y finalmente salir por otra puerta, en caso de llevar algún elemento al sector de los galpones este debe desinfectarse previamente (Imagen 6). Imagen 6. Instalación sanitaria.
Fuente: Autores Luego de finalizadas las visitas y teniendo en cuenta la información recopilada, más la información de los manuales de crianza consultados, se procede a realizar un análisis acerca de las variables que puedan ser la base del proyecto; entre las más importantes se encuentran, calidad del aire, calidad del agua, calidad del alimento humedad y temperatura. Para trabajar con las primeras tres, se encuentra que son las variables con las que los criaderos de pollos tienen más cuidado y de las cuales se notó un desinterés general por dar algún grado de tecnificación sobre estas. Al consultar sobre la temperatura y la humedad se pudo observar que las medidas que los criaderos toman sobre estas son muy rudimentarias, usan cortinas con sistemas mecánicos o manuales para evitar el paso de aire hacia el galpón, un termómetro de tubo capilar por galpón y en algunos ni siquiera se mide la humedad dentro del mismo, ya que los higrómetros son equipos de difícil acceso sobre todo para los pequeños productores.
La selección de las variables es un punto relevante para el desarrollo del proyecto ya de estas depende el mejoramiento de los procesos de levante, para la selección de las variables se realizó un análisis comparativo ente las encuestas realizadas en las visitas y la teoría descrita en los manuales de cría. Para dicha selección se realizó una tabla que contrasta los criterios más importantes con las variables más influyentes durante el proceso dentro del galpón Tabla 14 se puede visualizar la valoración de los criterios para cada una de las variables. Se utilizó una valoración de 1 a 5 en donde 5 es la valoración más alta y 1 para la valoración más baja.
Teniendo en cuenta dichas ponderaciones se determinó que las variables a trabajar en el desarrollo del presente proyecto son la humedad y la temperatura,
68
con algunas especificaciones dadas por los criaderos como son, buen rendimiento y el menor costo posible.
5.2. ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LOS SENSORES QUE SE ADAPTEN A LAS CONDICIONES AMBIENTALES DE LOS GALPONES.
En este aparte del documento se pretende mostrar el proceso de revisión y selección de los sensores a utilizar en el desarrollo del proyecto.
5.2.1 Selección y análisis de los sensores más adecuados para las variables seleccionadas
Tras el análisis de las variables que influyen en el crecimiento de los pollos de engorde se toma la decisión de monitorear temperatura y humedad, por esta razón es de vital importancia realizar la selección adecuada de los dispositivos de sensado adecuados. Para el desarrollo del proyecto, se debe contar con un análisis detallado de los sensores de temperatura y humedad que el mercado puede ofrecer para el monitoreo de las variables que se van a utilizar para el monitoreo de la temperatura y humedad dentro del galpón. Tabla 14. Análisis comparativo de las variables
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MANUALES VISITAS
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HU
ME
DA
D.
Manipulación directa de la
variable.
5 5 5 3 2 2 4 4 4 2 3 3
Influencia
directa en el proceso
4 5 5 5 5 5 4 5 4 3 5 5
Uniformidad de la variable
durante el proceso
4 4 4 4 4 4 2 3 3 2 3 2
Sistemas de monitoreo de las variables.
5 4 5 4 5 5 1 3 4 1 3 1
69
Análisis de los sensores de temperatura. Al realizar una recopilación de información acerca de la comercialización de sensores de temperatura en el mercado colombiano, se encontraron los siguientes resultados (ver Tabla 15):
70
Tabla 15. Comparativo Sensores de Temperatura
SENSOR Rango de
temperatura Sistema de medición
Impedancia dinámica
Factor de medición
Corriente de salida
Voltajes de operación
Tiempo de
respuesta
LM335 -40°C ~100°C Kelvin 1Ω 10mV/°K 450μA - 5mA 2.92V-
3.04V (DC) 1 min
LM35 -55°C ~150°C Celsius 0.1Ω 10mV/°C 10mA 4V-30V
(DC) 1 min
TERM NTC 10K
0°C ~100°C N/A N/A 10KΩ= 25°C
20mA Adaptable +- 20 seg
DS 1620 -55°C ~125°C Celsius N/A Digital (8bits)
1mA 2.7V-5.5V
(DC) N/A
KTY23 -50°C ~150°C Celsius N/A Análogo
(Ω) 5mA-7mA
Máx. 25V (DC)
7 seg
KTY81-1 -50°C ~150°C Celsius N/A Análogo
(Ω) 1mA Adaptable 30 seg
TMP100 -55°C ~125°C N/A N/A Digital (8bits)
45μA 2.7V-5.5V
(DC) N/A
Fuente: Autores
Análisis de los sensores de humedad Dentro del mercado de sensores de humedad, se encuentra que estos equipos poseen características más avanzadas y complejas que un sensor de temperatura, sin embargo, es importante resaltar que también es difícil encontrar sensores en el mercado nacional como en el internacional, esto se ve reflejado en el costo de este tipo de sensores que es mucho más elevado en comparación con uno de temperatura. Estos sensores no poseen un parámetro general de medición como por ejemplo los sensores de temperatura que miden en grados Celsius o Kelvin. La humedad se mide en términos de humedad relativa, que es la cantidad de agua presente en el ambiente. En la Tabla 16 se presentan los sensores de humedad que se encuentran en el mercado colombiano.
71
Tabla 16. Comparativo de Sensores de Humedad
SENSOR Rango de Humedad
Rango de operación de Temperatura
Corriente de alimentación
Voltajes de alimentación
Tipo de señal de
salida
HIH-4000-002
0 a 100% HR, no
condensación -40°C ~85°C 500μA
4V- 5.8V (DC)
Digital
HS 1100 0 a 100% HR, no
condensación -40°C ~100°C 10mA 5V-10V (DC) Digital
Fuente: Autores
Dentro del análisis de los dispositivos de sensado de temperatura y humedad, el
sensor SHT 71, fabricado por Sensirion, mide dichas magnitudes en un solo
dispositivo. Después de haber establecido una comparación entre estos sensores,
se encuentra que el dispositivo más apto es el SHT71 (
Tabla 17, Tabla 18, Tabla 19) por los siguientes motivos:
• Su voltaje de alimentación es bajo y entre los rangos de los nodos. • Tiene un consumo de corriente relativamente bajo. • Su tamaño permite que sea útil para el prototipo. • Su tiempo de respuesta bajo • En un solo dispositivo se mide humedad y temperatura • La salida producida es digital Tabla 17. Características Generales SHT71
CARACTERISTICAS
Bajo consumo de potencia
Excelente estabilidad
Calibrado
SALIDA Digital
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN Digital, 2-wire serial interface Fuente: En la web. http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf.
72
Tabla 18. Características Sensado de Humedad
Mínimo Típico Máximo
Rango de operación 0% HR
100% HR
Resolución 0.4% HR 0.05 % HR 0.05% HR
Resolución 8 bits 12 bits 12 bits
Exactitud
+-3.0 % HR
Repetibilidad
+-1.0 % HR
Tiempo de respuesta
8 segundos
Voltaje de alimentación
2.4 V 3.3 V 5.5 V
Consumo de potencia
* Durmiendo
2 μW 5μW
* Midiendo
3 μW
* Promedio
90 μW
Fuente: En la web. http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf. Tabla 19. Características Sensado de Temperatura
Mínimo Típico Máximo
Rango de operación -40°C 123.8°C
Resolución 0.04°C 0.01°C 0.01°C
Resolución 12 bits 14 bits 14 bits
Exactitud +0.4 % HR
Repetibilidad +-1.0 °C
Tiempo de respuesta s segundos 30 segundos
Voltaje de alimentación 2.4 V 3.3 V 5.5 V
Consumo de potencia
* Durmiendo 2 μW 5μW
* Midiendo 3 μW
* Promedio 90 μW
Fuente: En la web. http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf.
73
5.2.2 Parametrización del sensor SHT71
Conexión del sensor El sensor consta de 4 pines (Figura 21): VCC, tierra, Data y SCK. El pin SCK, es usado para el sincronismo entre el microcontrolador y el STH71. El pin de DATA es usado para la transferencia de datos, tanto desde o hacia el sensor, se debe tener en cuenta que este pin esta tanto de escritura como de lectura. Figura 21. Diagrama de conexión SHT71
Fuente: En la web. http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf.
Programación para el funcionamiento del sensor. Como primer paso, el sensor se enciende con el voltaje de la fuente VDD, el valor típico es de 3.3V. El sensor después de encendido se encuentra listo para recibir comandos 11ms después. Él envió de los comandos debe ser en un orden preestablecido por el fabricante, este proceso se puede observar en la Figura 22 Figura 22. Diagrama de bloques funcionamiento del sensor
74
El sensor seleccionado necesita tener un microcontrolador encargado de enviarle los comandos necesarios para su funcionamiento. Los diagramas de flujo para la puesta en marcha del sensor se observan en las Figura 23 y Figura 24
Analizando la hoja de datos del sensor se encuentra que este se debe sincronizar con un microcontrolador para poder enviar los datos de temperatura y humedad hacia el nodo, se hace la aclaración que para el sensor es transparente la marca o referencia del microcontrolador a utilizar, es por esta razón que se elige trabajar con los microcontroladores de la marca Microchip, ya que con estos se tiene una mayor experiencia del manejo y la programación. Figura 23. Diagrama de Flujo Programa Principal (main)
Fuente: Autores
Inicio
Definición del Microcontrolador
Registros de Propósito General
Data: Pin de Serial Data
SCK: Serial Clock Input
i=0; i=1; i++
Llamar humedad
Llamar Temperatura
Delay
Fin
75
Figura 24. Diagrama de flujo subrutinas
Humedad
Llamar Start
Delay
Llamar Direccion
Llamar ComHum
Llamar ACK
Data= entrada
Delay
Partealta=Leer
datohum=+Partealta<<8;
Llamar ACK
Partebaja=Leer
datohum=+Partebaja<<8;
Llamar ACK
Llamar Reloj
Delay
Return
Start
SCK= 1
Data=0
Delay
Data=1
SCK=0
Delay
Delay
Data=0
Delay
Data=1
Delay
SCK= 1
Delay
Return
Data=0
Direccion
Llamar cero
Llamar cero
Llamar cero
Return
Cero
SCK= 0
Data=0
Delay
Data=1
SCK=0
Delay
Return
Uno
SCK= 1
Data=0
Delay
Data=1
SCK=1
Delay
Return
76
Fuente: Autores
Para la programación del microcontrolador se realizaron varias pruebas con varios dispositivos del tipo PIC16F628A58, el PIC12F68359 y el PIC16F877A60, más que usar un dispositivo robusto para la sincronización entre el sensor, el microcontrolador y él envió de datos al nodo, se busca uno que tenga el menor número de pines y un puerto de comunicación serial, para evitar el uso de un integrado adicional para comunicación de tipo serial como un max23261, ya que esto aumenta el consumo de energía en el nodo. Para la programación de estos microcontroladores se utilizó el programa de la casa de MikroElectronica, MikroC (El lenguaje de programación es C). Inicialmente se trabajó con el PIC12F683, un microcontrolador de 8 pines, con la suficiente capacidad de memoria como para soportar la programación usada para el sensor, con este microcontrolador se tuvo un problema al correr la simulación en Proteus (el cual cuenta con una librería que contiene el sensor SHT71), se encontró que habían datos que se perdían o eran erróneos lo que aumentaba el
58
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/40044f.pdf [citado en 10 de Enero de 2010] 59
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/41211b.pdf [citado en 10 de Enero de 2010] 60
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39582b.pdf [citado 10 de Enero de 2010] 61
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/max232.pdf [citado 12 de Enero de 2011]
Leer
Data=Salida
Llamar Reloj
Data=dato<<1
Dato+=dato
i++
Return dato
i<=7
i=0
ComHum
Llamar cero
Llamar cero
Llamar cero
Return
Llamar uno
ComTem
Llamar cero
Llamar cero
Llamar uno
Return
Llamar uno
Reloj
Data=0
Delay
Delay
Return
Data=1
77
error del sensor como se muestra en la Imagen 7, además que no cuenta con un módulo de comunicación serial, por estas razones se descartó como una opción para el proyecto Imagen 7. Datos del PIC12F683
Datos acertados Datos erroneos
Fuente: Autores
Las pruebas preliminares se realizaron con el microcontrolador PIC16F877A y una LCD, para tener una mejor visualización (ver Imagen 8), Para la simulación se utilizó, el programa Proteus. Con el PIC 16F877A el sensor funcionó muy bien y no se encontraron problemas como pérdidas de información, pero al ser un microcontrolador de 40 pines se descartó, ya que se busca un microcontrolador pequeño y de buen rendimiento. Imagen 8 Simulación en Proteus sensor SHT71
Fuente: Autores
78
Finalmente se trabajó con un PIC16F628A, con este microcontrolador se observó un funcionamiento óptimo del sensor y adicionalmente se cuenta con el modulo serial, por estas razones se escogió como el dispositivo microcontrolador a utilizar en el proyecto. En él puede encontrar el código utilizado para programar el sensor.
5.2.3. Caracterización sensor de temperatura
Para el procedimiento de caracterización del sensor de temperatura SHT71, se
procedió a realizar la toma de mediciones dentro de un horno controlado,
utilizando un multímetro Fluke con termocupla como patrón y el SHT71 con la
finalidad de hallar el error en la medición (ver Ecuación 1), se realizó este
procedimiento 2 veces, posteriormente se tabularon los datos adquiridos ver Tabla
20 y como resultado las y Figura 26.
Ecuación 1. Cálculo del error
Tabla 20. Caracterización Sensor Temperatura
Fluke Sensor SHT 71 Error
35,8 36,46999 0,66999
35,5 36,37999 0,87999
35,4 36,2799 0,8799
35,5 36,34 0,84
38,2 40,1099 1,9099
40,6 43,5 2,9
41,2 44,49 3,29
41,4 44,89 3,49
41,6 45,13 3,53
42 45,4999 3,4999
42,2 45,819998 3,619998
42,2 45,95999 3,75999
Fuente: Autores
79
Figura 25. Caracterización sensor de temperatura primera muestra.
Fuente: Autores Tabla 21. Caracterización Sensor Temperatura
Fluke Sensor SHT 71 Error
30,7 31,9 1,2
33,1 34,33 1,23
34,7 36,04 1,34
35 36,31 1,31
36,1 37,659 1,559
39,2 40,869 1,669
41,8 43,51 1,71
44,1 45,82 1,72
47,9 49,8 1,9
48,4 50,34 1,94
49,5 51,5 2
54,3 56,44 2,14
66 68,709 2,709
71,4 73,84 2,44
73,8 76,32 2,52
78,9 81,9 3
80,2 83,1 2,9
85,5 88,5 3
Fuente: Autores
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tem
pe
ratu
ra °
C
Caracterización Sensor temperatura
Fluke
Sensor
80
Figura 26. Caracterización del sensor de temperatura segunda muestra
Fuente: Autores Dado que el rango de medición del sensor SHT 71 está entre -40°C hasta 123,8°C, se decidió realizar una toma de muestras de temperaturas inferiores a los 0°C, para comprobar el funcionamiento del sensor a estas temperaturas, observar Tabla 22 y Figura 27. Tabla 22. Caracterización Sensor Temperatura a valores menores de 0°C
Fluke °C SHT71 °C
0 0,139
-1,5 -1,2
-2 -1,819
-2 -2,26
-2,6 -2,78
-3 -3,37
-3,5 -3,72
-4 -4,22
-4,5 -4,74
-5 -5,24
-5,5 -5,72
-6 -6,22
-6,5 -6,22
-7 -6,74
-7,5 -7,2
-8 -7,7
-8,5 -8,18
-9 -8,68
-9,5 -9,1
-10 -9,62
Fuente: Autores
0
20
40
60
80
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tem
per
atu
ra °
C
Muestra
Caracterización sensor de temperatura
Fluke
Sensor
81
Figura 27. Caracterización Sensor Temperatura a valores menores de 0°C.
Fuente: Autores
5.2.4 CARACTERIZACIÓN SENSOR DE HUMEDAD.
El procedimiento que se realizó para la caracterización del sensor de humedad fue igual a la que realizó con el sensor de temperatura. Los resultados se evidencian en la Tabla 23 y en la Figura 28. Tabla 23. Caracterización sensor de humedad
Extech Instrumen - Modelo 445815 Sensor SHT71
Humedad (%) Humedad (%) Error
61 63,3979 2,3979
46 38,0852 -7,9148
36 34,75579 -1,24421
32 32,26189 0,26189
30 31,56099 1,56099
30 30,7912 0,7912
28 29,61654 1,61654
27 30,28825 3,28825
26 29,44841 3,44841
25 30,22114 5,22114
25 28,87619 3,87619
25 29,01091 4,01091
25 29,71738 4,71738
25 28,40424 3,40424
24 29,41478 5,41478
24 28,13428 4,13428
24 28,40424 4,40424
23 27,93168 4,93168
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Tem
pe
ratu
ra °
C
Caracterización sensor de temperatura a valores menores de 0
Fluke °C
SHT71 °C
82
Extech Instrumen - Modelo 445815 Sensor SHT71
23 27,93168 4,93168
23 28,16804 5,16804
23 27,86412 4,86412
Fuente: Autores Figura 28. Caracterización sensor de humedad
Fuente: Autores
5.3 IMPLEMENTACIÓN DE LA RED INALÁMBRICA DE SENSORES QUE PERMITA MONITOREAR LAS VARIABLES DE ESTUDIO.
Para el diseño e implementación de la red de sensores es necesario realizar un análisis de las posibles tecnologías a implementarse, según las necesidades y las condiciones del área de trabajo. Así mismo es de gran importancia definir el protocolo de comunicación de la red de manera que esta tenga un buen desempeño. Para la elección de la tecnología y el protocolo de comunicaciones se realizará una breve descripción de los sistemas existentes de comunicación inalámbrica aplicables a este tipo de redes de pequeño cubrimiento o redes de área personal (PAN), sin embargo se hará referencia a las redes de largo alcance como planteándolas como complemento y puerta de enlace de las redes de corto alcance o de área personal para el acceso a internet o a la transmisión de datos a largas distancias de ser necesario.
5.3.1Tecnologías inalámbricas existentes para aplicación en redes de área
personal.
A partir de los avances en las tecnologías de la información en diferentes sectores y áreas de la vida cotidiana se permite tener una gran variedad de posibilidades para la elección de un sistema adecuado para el monitoreo de variables en los
0
10
20
30
40
50
60
70
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
Hu
me
dad
Re
lati
va (
%)
Caracterización sensor de humedad
Extech Instrumen -Modelo 445815Humedad (%)
Sensor SHT71Humedad (%)
83
procesos agroindustriales; en este caso el monitoreo de variables ambientales que influyen en el levante de pollos de engorde. Por tanto para la elección de la tecnología a utilizar se realizará un análisis de las diferentes posibilidades que para la transmisión inalámbrica existen actualmente y que pueden ser aplicables en el desarrollo de este proyecto62. Dentro de las tecnologías de comunicación inalámbrica se pueden definir dos tipos de redes, de largo alcance y corto alcance, el análisis se basara en redes de corto alcance debido a las características de bajo costo y consumo de energía, lo cual las convierte en una buena opción para el área de trabajo debido a que los galpones generalmente se encuentran ubicados en áreas rurales. Sin embargo no puede descartarse la posibilidad de implementas sistemas de largo alcance como lo son tecnologías WiMax, GPRS, 3G, ya que podrían utilizarse como complemento y enlace de la red a internet. Para el análisis en este documento como se mencionó con anterioridad se consideraran las tecnologías que satisfagan las necesidades en redes de área persona (PAN) como tecnologías candidatas para el desarrollo de este proyecto tales como lo son: Bluetooth, zigbee y 802.11b (Wi-Fi) aunque no es considerada como una red de corto alcance puede considerarse como un estándar de posible aplicación para el proyecto Bluetooth. Es una tecnología para redes de corto alcance que apareció en 1994 y
fue propuesta por Ericsson, sin embargo después se creó un grupo de
investigación y desarrollo de esta que se denominó como Special Interest Group
(SIG) que fue estandarizado por IEEE bajo la referencia 802.15.1. El objetivo de
este grupo era crear un dispositivo de transmisión de corto alcance, de bajo costo
y consumo de energía. Para febrero de 1998 compañías como IBM, INTEL, Nokia
y Toshiba entraron a formar parte del SIG y así de esta manera hoy en día el SIG
está compuesto por más de 2500 compañías dedicadas a la producción de
dispositivos Bluetooth, la cuales tienen como objetivo promover el desarrollo de
nuevas versiones y el uso del estándar no solo en dispositivos móviles si no en
diferentes tipos de dispositivos que puedan soportar dicha tecnología63.
Dentro de las diferentes aplicaciones de Bluetooth se puede hacer referencia a los chips agregados a equipos de telefonía celular, impresoras portátiles, Computadores portátiles y de mesa, auriculares para equipos de audio y teléfonos celulares, así como sistemas para vehículos. Cabe anotar que la mayor parte de las aplicaciones de Bluetooth se implementan en equipos no pertenecientes a una
62
Vilora Núñes César, Cardona Peña Jairo, Lozano Garzón Carlos, Análisis comparativo de tecnologías inalámbricas para una solución de servicios de telemedicina, Revista Ingeniería y Desarrollo, Numero 25 Enero-Junio 63
Labiod Houda, Afifi Hassam, De Santis Constantino, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and WiMax. Editorial Springer 2007
84
red continua de dispositivos a excepción de los equipos de oficina como impresoras conectadas a varias terminales por medio de este estándar. En cuanto a los principios básicos de funcionamiento, arquitectura y rendimiento, debe hacerse referencia a que las comunicaciones Bluetooth se basan en dos aspectos preliminares que son: deben conocerse los dispositivos cercanos y debe existir un circuito preestablecido para dicha comunicación. La comunicación Bluetooth está basada en el principio Maestro-Esclavo, así de esta manera un grupo formado por varios dispositivos forman una célula denominada picored compuesta por un maestro y un máximo de 7 esclavos, en la Figura 29 se puede observar la estructura de una picored. Cuando varias piconet se sobreponen o se traslapan el término utilizado para definir esta estructura es Red de dispersión o Scatternet por su nombre en inglés, como se muestra en la Figura 30 sin embargo este tipo de estructuras no se encuentran muy bien desarrolladas. Para este tipo de aplicaciones se ha venido usando Zigbee. Figura 29. Estructura de una Picored.
ESCLAVO
MAESTRO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
Fuente: Autores
85
Figura 30. Estructura de una Scatternet
ESCLAVO
MAESTRO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
MAESTRO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
ESCLAVO
Fuente: Autores En Bluetooth el establecimiento de la comunicación y la asignación del canal son tareas propias y únicas del Maestro, mientras que los dispositivos esclavos solamente pueden comunicarse con otros esclavos durante el periodo de descovertura de los dispositivos. De acuerdo con las características principales de este estándar se concluye que a pesar que las redes bluetooth son broadcasting la estructura de la red aún no ha sido desarrollada del todo es por eso que se descarta este tipo de tecnología para el diseño de la red. WI-FI IEEE 802.1164.Wi-fi, una tecnología que nace a partir de los avances e
investigación del comité de IEEE 802, el cual con el desarrollo de las redes LAN
propuso como soluciones de despliegue y versatilidad las WLAN´s definido como
802.11 en 1997, inicialmente en su primera versión con tasas de datos de 1 a
2Mbps definía principalmente reglas en la señalización y servicios inalámbricos,
sin embargo el rendimiento de estas redes era realmente pobre frente a las
soluciones requeridas en la industria es por esta razón y a consecuencia de esto
que IEEE define 802.11HR, elevando las tasas y la velocidad de 5.5 y 11Mbps.
Luego de la aparición de esta IEEE lanzo la evolución de las 802.11HR las cuales
se definieron como 802.11a versión que trabajaba en la banda de 5GHz las cuales
se acomodaban de mejor manera a las pequeñas oficinas (en el sector público,
gubernamental y corporativo).
Luego de largos desarrollos y actividad del grupo de trabajo de 802.11 se llegó a la definición de los estándares 802.11b más conocido como (Wi-Fi) y el 802.11g ofrecen capacidad de trabajo en la capa física y la capa de enlace de datos referentes al modelo OSI. Aunque este tipo de estándar es de gran versatilidad, movilidad y relativo bajo costo de implementación se enfoca más en redes de mayor cubrimiento con acceso a internet, además de poseer gran velocidad y un ancho de banda que la hace ideal para redes de acceso a internet, procesamiento
64
Labiod Houda, Afifi Hassam, De Santis Constantino, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and WiMax. Editorial Springer 2007
86
de grandes cantidades de datos imágenes y audio, es por esta razón que para aplicaciones que no dependen de acceso a internet y que se concentran en áreas pequeñas Wi-Fi de acuerdo a la baja tasa de datos que se transmitirán no es una red idónea para la implementación de este proyecto ya que se desaprovecharían recursos en cuanto a capacidad de canales y ancho de banda. Las redes Wi-Fi son ideales para ser usadas como redes de difusión de servicios de internet y como puerta de enlace de redes para redes de menor tamaño como acceso a redes como Ethernet e internet. ZIGBEE 802.15.4. De las tecnologías y estándares apropiados para redes de corto alcance Zigbee es el de menor rango de distancia y capacidad de trasferencia de datos, usualmente utilizado en redes que no demande áreas extensas en cobertura. Por su simplicidad en cuanto a su estructura los dispositivos que componen redes de este tipo de caracterizan por su bajo consumo de energía y bajo costo en implementación en relación con otras tecnologías, además de tener gran desempeño. Zigbee además de poseer características de robustez, seguridad y versatilidad en la forma de configuración ofrece coexistencia frente a las demás redes de su tipo es por esta razón que zigbee presenta algunas fortalezas y se acomoda a las necesidades de la red que se desea implementar, en la Tabla 24, se puede observar un comparativo de las tres tecnologías mencionadas, haciendo posible un mejor panorama de las diferencias entre ellas6566.
Tabla 24. Comparativo entre Zigbee, Bluetooth y 802.11b
Tasas de
datos Radio de alcance
Tipo de modulación
Aplicaciones Coexistencia
con otras tecnologías.
ZIGBEE 20-
250kbps 10-100m O-QPSK
Redes de sensores
inalámbricas Si
BLUETOOTH 1-3 Mbps 2-10m GFSK
Auriculares inalámbricos,
mouse, teléfonos móviles,
impresoras
Posible interferencia con
redes Wi-Fi.
802.11b 1-11Mbps 30-100m FSK
Redes inalámbricas
para conexión a internet
Posible interferencia con redes Bluetooth.
Fuente: Autores
66
Labiod Houda, Afifi Hassam, De Santis Constantino, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and WiMax. Editorial Springer 2007 66
Farahani, Shahin. ZIGBEE WIRELESS NETWORKS AND TRANSCEIVERS. Ed Elsevier 2008.
87
Selección del tipo de protocolo: Dentro de los protocolos que pueden encontrarse para aplicación en ambientes WSN descritos con anterioridad y teniendo en cuenta las necesidades de la red a implementar, por su versatilidad y pos las necesidades de alcance en cuanto a el área de trabajo se basara el diseño de la red en el protocolo de comunicación Zigbee ya que cumple a cabalidad con las necesidades de los galpones en donde será implementado, en la Figura 31 se puede observar algunas de las características de cada uno de los protocolos mencionados. Figura 31. Comparativo entre protocolos para redes de área personal (PAN)
Fuente: Zigbee Wireless Network and trancivers.
Dentro de los protocolos existentes pueden clasificarse estos en protocolos reactivos y protocolos pasivos cuyas diferencias radican en la búsqueda de rutas. Protocolo reactivo. También conocidos como bajo demanda, ya que buscan su ruta solo cuando es necesaria, algunas de las características son: 1. Latencia alta para el primer paquete. 2. Independencia entre rutas. 3. Número de rutas útiles es alto frente a todas las rutas posibles. Protocolo proactivo. Buscan rutas periódicamente bajo la suposición de que será útiles, algunas de sus características radican en: 1. Variante en el estado del enlace. 2. Exigencia de respuesta rápida. 3. La modificación de alguna ruta puede afectar a algún nodo. 4. El número de rutas útiles es bajo frente a las rutas posibles.
88
5.3.2 Zigbee, características y arquitectura.
Es un estándar que define un conjunto de protocolos para bajas tasas de transmisión de datos y corto rango de manera inalámbrica, opera en tres bandas dependiendo de la ubicación geográfica 868MHz para Europa, 915MHz en EUA, y 2,4GHz para el resto del mundo, además con tasas máximas de transferencia de 250Kbps lo cual la hace ideal para redes con necesidades bajas en transferencia de datos, bajo consumo de energía y áreas pequeñas de cobertura.
Características principales de Zigbee.
Tasas de datos: 20 a 250Kbps.
Topologías posibles: Convencional, Estrella, Malla.
Direcciones basadas en 16bits o direcciones de 64bits(MAC).
Acceso Sencillo y por asignación de ranuras garantizadas.
Transferencia de reconocimiento de datos y estructura de beacon(opcional).
Detección de energía.
Seguridad multinivel.
Indicador de calidad de enlace.
27 canales: 16 definidos para la banda de 2,4GHz, 10 en la banda de 915MHz y 1 para la banda de 868MHz.
Arquitectura. El protocolo Zigbee basa su funcionamiento en capas de igual
manera como lo propone el modelo OSI, de esta manera si el protocolo sufre
modificaciones en el tiempo es mucho más sencillo realizarlas dependiendo de la
capa en al que se encuentre la modificación que deba hacerse, en la Figura 32 se
puede observar las capas que componen el protocolo.
89
Figura 32. Capas de protocolo para redes inalámbricas Zigbee
CAPA DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC)
CAPA FISICA
CAPA DE RED
CAPA DE APLICACIÓN
OBJETOS
DE
APLICACIÓN
DISPOSITIVOS
ZIGBEE
APLICACIÓN PARA SOPORTE DE SUBCAPAS
SERVICIOS DE
SEGURIDAD
DEFINIDO POR EL ESTANDAR
(ZIGBEEE)
DEFINIDO POR EL ESTANDAR
802.15.4
Fuente: Autores
Capa física. Es realmente sencilla con particularidades que conciernen a la
frecuencia de operación, esto depende de la región como se mencionó
anteriormente. El estándar Zigbee cuenta con 27 canales los cuales están
distribuidos de acuerdo a zonas geográficas definidas por el grupo de trabajo, la
Tabla 25 hace referencia a las frecuencias en las cuales trabaja y los canales
asignados a cada una de las frecuencias.
Tabla 25. Distribución de canales para protocolo Zigbee.
FRECUENCIA. BANDA APLICABILIDAD ANCHO DE BANDA
CANALES
2.4GHz ISM En el resto del mundo
250kbps 16
915MHz ISM EUA 40kbps 10 868MHz Europa 20kbps 1
Fuente: Autores
90
La capa física en la banda de 2.4GHz tiene una capacidad máxima en velocidad de transmisión de 250kbps y utiliza como técnica de modulación compensación de cuadratura con codificación de cambio de fase (O-QPSK), los datos son mapeados y asignados a símbolos de 4 bits por 4 bits. Luego estos datos son mapeados y asignados a chips de 32bits para luego ser modulados.
Estructura de los datos en la capa física. La estructura de la trama en la capa física está denominada como Unidad de datos de protocolo (PDU) y se conforma de tres partes: Encabezado de Sincronización (SHR), encabezado de la capa física (PHR) y los datos como se muestra en la Figura 33. Estructura de la trama en la capa física. Figura 33. Estructura de la trama en la capa física.
SECUENCIA DE
PREAMBULO 4 bytesDELIMITADOR DE INICIO (SFD) LONGITUD DE LA TRAMA 7bits Reservado 1bit
SHR PHR
PSDU
PHY DATOS
Fuente: Autores El SHR es el encargado de habilitar la sincronización de los receptores para realizar la transmisión, mientras que la PHR contiene la información de la longitud y la cantidad de datos que se enviarán por último la vienen la trama de datos la cual lleva la información a transmitir. Dentro de las funciones principales de la capa física se puede hacer referencia a las siguientes:
Activación y desactivación de los radio transceptores.
Transmitir y recibir los datos.
Seleccionar la frecuencia del canal.
Realizar la estimación de consumo de energía en los dispositivos terminales o ED.
Generar el indicador de calidad de enlace, es decir realizar el monitoreo de paquetes enviados y recibidos por los receptores.
Capa de control de acceso al medio (MAC). La capa de control de acceso al medio provee un interfaz entre la capa física y la capa de red, aunque esta no es definida por el estándar 802.15.4 si la define como la capa de enlace entre la capa física y la siguiente capa. La trama de datos de la capa MAC se denomina como capa de gestión de identificación (MLME), quien actúa directamente con la contraparte en la capa de red la cual es la capa de gestión de identidad en la capa de red.
91
Además la capa de acceso al medio es la encargada de controlar el acceso al canal, el cual para Zigbee se realiza por medio de una técnica conocida como acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisión (CSMA/CA), esto con el fin de que múltiples dispositivos puedan hacer uso del mismo canal, para este proceso los dispositivos inician con una verificación de ocupación del canal lo cual se denomina valoración de despeje del canal (CCA) para asegurarse que el canal no esté siendo usado por otro dispositivo para luego transmitir, cabe anotar que la decisión de declarar el canal disponible o no se realiza basándose en la medición de la energía en la frecuencia del canal por el cual se va a transmitir o simplemente detectando el tipo de ocupación del canal. Este procesamiento radica en la valoración de la energía (ED) la cual le permite saber a ciencia cierta al transmisor si el canal está disponible o no, si el canal no se encuentra disponible el proceso que realiza el nodo o dispositivo transmisor es realizar reintentos el número determinado durante la configuración de la red y los dispositivos, si después de este tiempo no se ha podido transmitir la información se da como descartada la transmisión de dichos datos. Dentro de las WPAN se pueden tener dos tipos de configuración desde el nodo coordinador: Configuración de WPAN sin habilitación de beacons: Mediante la configuración de la red sin habilitación de beacons se usa CSMA-CA no ranurado, en el cual el procedimiento para que un dispositivo pueda trasmitir datos se basa en un tiempo aleatorio de verificación de ocupación del canal y un tiempo aleatorio de espera para poder enviar al información, en el caso de ocupación el dispositivo espera un tiempo para retransmitir la información hasta que el canal se encuentre habilitado67. Configuración de WPAN con habilitación de beacons: Este tipo de configuración permite que el nodo coordinador envié una señal para alertar a los dispositivos terminales que se encuentren dormidos e inmediatamente estos se activan y envían los datos, para este proceso se utiliza CSMA-CA ranurado, en donde cada ranura o slot es alineada con el inicio de transmisión de una beacon, de tal manera que cada vez que un dispositivo desee trasmitir debe realizar la verificación del canal, si este se encuentra ocupado debe esperar hasta el siguiente slot de alineación de un nuevo beacon así podrá transmitir la información deseada68.
67
Itoh Tatsuo, Haddad George, Harvey James, RF TECHNOLOGIES FOR LOW POWER WIRELESS COMMUNICATIONS. WileyInterscience. 68
Ibidem.
92
5.3.3 Elección de los dispositivos de transmisión más adecuados para las necesidades de la red.
En el mercado se puede encontrar gran variedad de dispositivos de transmisión inalámbrica muchos de ellos con características especiales de procesamiento de datos sin embargo todos están basados en el mismo principio de transmisión, utilizando ondas de radio frecuencia y por lo general utilizando bandas de frecuencias libres lo cual los hace más atractivos para la implementación en la industria, el hogar y pequeñas oficinas, así como sistemas de monitoreo de señales biomédicas, sin embargo la elección de estos equipos debe ir de acuerdo a las necesidades s de la red que desea diseñarse ya que el comportamiento de cada uno de estos dispositivos varia en algunos casos. Para el diseño de una red para monitoreo de señales ambientales se tuvo en cuenta aspectos como:
Consumo de energía.
Radio de alcance de los dispositivos.
Simplicidad del dispositivo.
Versatilidad.
Movilidad. Antes de realizar un análisis de los dispositivos existentes debe hacerse referencia a la diferencia que existe entre motas o mica y nodos de transmisión ya que aunque la finalidad de los dos es la misma y son aptos para implementarlos en cualquier tipo de redes de sensores inalámbricos, guardan entre si pequeñas diferencias. Motas69. Las motas o mica son pequeños dispositivos para aplicación en redes de
sensores, con características de procesamientos de datos, están compuestos por
un microprocesador con memoria, sensores y radio o transceptor de baja potencia.
Dentro de las características del procesador su velocidad es de varios MHz y su memoria RAM un poco reducida, alrededor de 256kbytes y 256kbytes para EEPROM. En cuanto a los radios o transceptores están basados en frecuencias de 2.4GHz, 915MHz para EUA y 868MHz para Europa, son dispositivos de baja potencia lo cual se refleja en el bajo consumo de baterías. Las motas son plataformas realmente robustas lo que les da la capacidad de correr sobre un sistema operativo, generalmente TinyOS normalmente con comandos de programación NesC lenguaje que es muy similar al lenguaje C. Nodos de transmisión inalámbrica o transceptores. Son pequeños dispositivos
de baja potencia que generalmente hacen parte de las motas o micas, además de
69
Lopéz Lopéz, José, Mena Doce, Sergio, Desarrollo de un demostrador para evaluar técnicas cross-Layer en sistemas de comunicaciones inalámbricos, Trabajo de grado , Universidad Politecnica de Cataluña,Marzo de 2008.
93
su bajo costo para la implementación en redes se sensores inalámbricos son de
gran versatilidad ya que pueden acomodarse a cualquier otro tipo de hardware.
Dispositivos disponibles en el mercado. Dentro de los dispositivos que se
encuentran en el mercado se pueden encontrar diferentes empresas que se
dedican a la comercialización de estos: Crossbow, Libelium, National Instrument,
Motiev y Digi Internationall entre otras. En la Figura 34 y la Tabla 26 se pueden
observar algunos productos de la amplia gama que se pueden encontrar en el
mercado.
Figura 34. (a) Waspmote, (b) Inmote2, (c) Iris, (d) XbeePro, (e) MicaZ, (f) TmoteSky (g) Tmotemini
(a).(b).
(e)
(d)
(g)
(f)
( c )
Fuente: Autores
94
Tabla 26. Comparativo entre dispositivos comerciales
XbeePro Inmote2 Iris Micaz Tmote-mini
Tmote sky Waspmote
Alcance en zonas exteriores con línea de vista.
100m 75m >300m 75-100m 125m 100m 100m
Alcance en ambiente interior o ciudad.
1200m 30m >50m 20-30m 30m 30m 1200m
Tasas de transferencia de datos
250kbps 250kbps 250kpbs 250kpbs 250kbps 250kbps 250kbps
Sensibilidad del receptor
-100dBm -24dBm-0dBm
-101dBm -94dBm -90dBm -94dBm -100dBm
Voltaje de operación
2.8-3.4V 3,3 a 4,5V 2,7 a 3,3V 2,7 a 3,3V 2,1 a 3,6V 2,1 a 3.6V 3,3 a 4,2V
Corriente de Tx típica
27mA a 3.3V
66mA 25mA 17.4mA 30mA 17,4mA 27mA
Corriente de Rx típica
15mA a 3.3V
31mA 16mA 19.7mA 20mA 19,7mA 15mA
Frecuencia de operación
2.4GHz ISM
2,4GHz ISM
2,4GHz ISM
2,4GHz ISM
2,4GHz ISM
2,4GHz ISM
2,4GHz ISM
Consumo de corriente en modo dormido
<10uA 390uA 10uA 36uA 20uA 20uA 9uA
Dimensiones
2.438 x 3.294cm
3,6x4,8x0,9cm
5,8x3,2x0,7cm
5,8x3,2x0,7cm
2,5x2x1,8cm
2,6x2,3x0,9cm
7,3x5,1x1,3cm
Temperatura de operación.
-40 to 85º C (industrial)
X X X X X -20 a 65°C
Opciones de antena.
Conector U.FL, Antena Chip, o alambre de antena
Chip
Dipolo de ¼ de longitud onda
Dipolo de ½ de longitud de onda
Chip, U.FL Chip
Conector U.FL, Antena Chip, o alambre de antena
Topologias permitidas.
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh
Numero de canales.
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
16 canales para banda ISM
Protocolo. Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee
Fuente: Autores
95
De acuerdo a las características mostradas en la Tabla 26, se determinó que los equipos a utilizar en el desarrollo del proyecto son los módulos de comunicación RF XbeePro serie dos. Esto debido a que no es necesario para el proyecto un sistema tan robusto y sobredimensionado como pueden ser las motas, adicionalmente estos equipos son de fácil asequibilidad en el mercado colombiano (los demás sistemas deben ser importados bajo protocolos de seguridad impuestos por las empresas fabricantes y comercializadoras).
5.3.4 Diseño de la red basada en nodos de transmisión RF XbeePro. Dentro de los parámetros en la implementación de una red de sensores inalámbrica que se deben tener en cuenta está la ubicación de los nodos ya que se debe procurar lograr la mayor cobertura de este y de una manera uniforme, sin embargo, teniendo en cuenta que el rango de cobertura de las nodos es mayor al de los sensores se propone realizar un arreglo de 4 sensores por nodo, pretendiendo de esta forma conservar la uniformidad de las mediciones y aprovechar el área de cubrimiento del nodo. Para la ubicación de los nodos y los sensores deben existir algunos criterios para la ubicación dentro de los galpones que dependen de factores arquitectónicos. Criterio para ubicación de sensores por factores arquitectónicos. Si bien las redes de sensores inalámbricos por su gran versatilidad pueden ser instaladas en cualquier condición, se deben tener en cuenta algunos factores que pueden afectar el monitoreo durante el proceso, la elección del tipo de galpones en el cual se implantará la red para el monitoreo son galpones tipo túnel convencionales como la gran mayoría de los que pueden encontrarse en las granjas de producción en Colombia.
Teniendo en cuenta que el diseño y la implementación de los dispositivos de la red se enfoca al monitoreo en galpones tipo túnel es necesario hacer un estudio del efecto que tiene el aire sobre los sensores, es decir los nodos deben estar ubicados en zonas donde la influencia de las corrientes de aire no sean directas sobre el sensor para evitar perturbaciones y variaciones o picos repentinos en las mediciones del sensor, así evitar ruido y sobrepasos inesperado. De esta manera y basados en los documentos técnico de manejo y crianza de pollos los sensores se ubicaran a una altura de 50cm del nivel de la cama de la leca para los animales, lo cual permitirá tener una temperatura a la altura de los animales. Debe quedar claro que los sensores no deben dejarse en zonas cercanas a las fuentes de agua o bebederos ya que esto puede afectar la medición de la humedad causando lecturas erradas, en la Figura 35 puede observarse la forma de ubicación del nodo y el sensor.
96
Figura 35. Ubicación de los nodos en el galpón
1500mm
BEBEDEROS Y
COMENDEROS DE
CAMPANA
NODO
SHT71
Fuente: Autores Diseño de la red: El diseño que se propone para la red se basa en el concepto de uniformidad en las mediciones en toda el área del galpón, para esto y dado a que el radio de cobertura de los módulo de transmisión es mayor al del sensor se propone una arreglo de 4 sensores por módulo de tal manera que se aprovecha de mejor manera el alcance del transceptor. De esta forma se propone una red con topología mallada en al cual los nodos adyacentes estarán en la capacidad de retransmitir la información de otros nodos y basados en el trabajo de los nodos ruteadores se puede realizar una autoconfiguración de los enlaces o saltos para llegar al nodo coordinador o Gateway.
Componentes de la red. La red está compuesta por tres tipos de dispositivos, un nodo coordinador el cual recibirá toda la información de la red y será la puerta de enlace para la visualización de los datos muestreados, un nodo ruteador, este tipo de dispositivo se encargara de administrar la información que llegara al nodo coordinador y por último los dispositivos finales los cuales obtendrán los datos de medida del sensor de humedad y temperatura para transmitirlo cada vez que el nodo coordinador lo requiera. Cabe anotar que las diferencias entre estos tres tipos de dispositivos se basa en las propiedades de consumo de energía, los nodos coordinadores son considerados como dispositivos de función completa (FFD) por lo cual el consumo de energía es mayor ya que en ningún momento pueden entrar en modo de hibernación o modo dormido, mientras tanto los ruteador también se consideran como dispositivos (FFD) y deben estar en
97
constante actividad monitoreando las requisiciones del nodo coordinador para recibir información de los demás componentes de la red. El diseño de la red se basara en el concepto de celdas hexagonales semejante al diseño de redes de telefonía móvil para este procedimiento se deben tener en cuenta las especificaciones del galpón, este proyecto baso sus cálculos en galpones previamente visitados y que se aproximan a las medidas estándar de la mayoría de galpones existentes en Colombia. Dimensiones del Galpón.
Longitud: 74m
Ancho: 10m.
Capacidad de aves: 8 500.
Cálculo de celdas para una red mallada de sensores inalámbricos. Con la distribución de los nodos de tal manera que no sean afectados por perturbaciones que provoquen una mala lectura y por ende un mal promedio del área de cobertura de la red, por esta razón se propone la ubicación de los nodos de censado en un rango de altura que sea de fácil acceso al encargado del cuidado del galpón pero sin dejar que se convierta en un elemento que pueda llamar la atención del animal y pueda causar nerviosismo en este. Criterios de diseño de la red. Según la aplicación, el área de cobertura y la planificación de crecimiento a futuro se deben tener en cuenta aspectos de gran relevancia para el diseño de la red. El propósito de la red es obtener constantemente información de una manera rápida, al contrario que las redes cableadas el mantenimiento y versatilidad le dan a las redes de sensores inalámbricas facilitan tareas como mantenimiento, reconfiguración y reubicación de los elementos sin necesidad de una reprogramación, ya que aunque sea una red estática puede programarse como una red móvil lo cual la obliga a reconfigurar sus rutas para llegar al Gateway. De acuerdo a la cercanía con el Gateway las redes inalámbricas pueden clasificarse en dos, multi-hop (de propagación) o single-hop (no propagación). Todo esto dependiendo de la arquitectura que se desee implementar. En las redes multi-hop la mayor parte de los nodos solo entregan información a través de routers o nodos intermedios que sirven de paso o salto y que están equipados con sensores o bien pueden no tenerlos y comportarse como nodos ruteadores, mientras que en las single-hop la información es entregada directamente al Gateway70.
70 Villón Valdiviezo Daniel, DISEÑO DE UNA RED DE SENSORES INALAMBRICA PARA AGRICULTURA DE PRECISION
98
En cuanto a la densidad de nodos en la red estas pueden ser de agregación y no agregación. Las redes de no agregación, estas transmiten los datos tal y como se reciben y pasan de un nodo a otro hasta llegar al Gateway, lo cual puede generar mayor número de pérdidas y de igual manera tendrán un consumo más alto de energía ya que será necesario hacer retransmisiones, lo cual no es bueno si se tiene una gran densidad de nodos en una área determinada. Por otra parte las redes de agregación los datos recibidos por el nodo se almacenan por un momento mientras se reciben el mayor número de paquetes de datos para luego ser transmitidos en conjunto y de esta manera ahorrar energía además este tipo de red puede descartar paquetes de datos que según su lectura estén incompletos o dañados, sin embargo este tipo de redes requieren nodos con capacidad de almacenaje y de mayor capacidad de procesamiento. Igualmente las redes pueden ser determinísticas o dinámicas dependiendo de la distribución de los nodos, en las redes determinísticas los nodos no son móviles, sino al contrario están fijos por ende se conoce su posición y el diseño de la red se puede hacerse con base en esa información. Mientras que las redes dinámicas como su nombre lo indica tienen dentro de esta, elementos que pueden estar desplazándose lo cual requiere los cuales estarán configurados aleatoriamente. Otra de las clasificaciones para las redes de sensores inalámbricos son aquellas que son auto-configurables y no-auto-configurables, las redes no-auto-configurables son aquellas que siempre esperan instrucciones del nodo central para realizar cualquier tipo de acción dentro de la red, son redes que se recomiendan cuando existe un número muy bajo de nodos. Mientras que las redes auto-configurables son redes que poseen nodos capaces de tomar las decisiones en cuanto a transporte de datos y mantener su medio de comunicación entre esta y el Gateway, además de ser capaces de realizar funciones de sensado. De esta manera y teniendo en cuenta las características de los diferentes tipos de redes, la red que se propone es una red de topología punto a punto en malla, de propagación con propiedades de agregación determinística y auto-configurable ya que se adecua a las necesidades y brindara un mejor desempeño en caso de cualquier fallo en un nodo o dispositivo de esta Este proyecto se enfoca en el levante de pollos de engorde para lo cual se recomienda un número de 8 aves por metro cuadrado.
99
Ecuación 2. Cálculo del área para un galpón de 8.500 animales
( )
( )
Al trabajar solo con la cuarta parte del galpón se va trabajar con área de 1062m2 para lo cual las dimensiones del galpón conservando la misma densidad de animales por m2 para clima cálido son:
Ancho: 10m Largo: 75m Para el cálculo de las celdas deben tenerse en cuenta el rango de transmisión de los nodos en lugares cerrados, esto con fines de aprovechar de la mejor manera los equipos instalados y obtener la mayor cobertura y uniformidad en el sensado. Para esto se proponen una distribución de nodos creando celdas de tipo hexagonal con diámetro de 2.5m lo cual garantizara que el arreglo de sensores pueda tener un cubrimiento uniforme del área en la Ecuación 3 se puede observar el cálculo del número de celdas para la red. Ecuación 3. Cálculo número de celdas
De acuerdo a los resultados la densidad de nodos que deben implementarse en el galpón es de 120 nodos y 480 sensores, sin embargo y para efectos demostrativos se trabajara con dos celdas únicamente. Cada una de las celdas cuenta con dispositivos terminales (ED) y se debe adicionar un nodo ruteador que será ubicado en una de las culatas del galpón de acuerdo a la Figura 36.
100
Figura 36. Distribución de nodos para prototipo.
Fuente: Autores
En la Figura 37 se puede visualizar la distribución de celdas propuestas para la
totalidad del galpón
101
Figura 37. Distribución de celdas para un galpón de 8500 animales
75m
10m
Fuente: Autores
102
5.3.5 Configuración de los nodos de transmisión. Para la configuración de los nodos se utilizó el software del proveedor X.CTU, en el cual se puede realizar la configuración de los nodos de acuerdo a las características de la red. El X-CTU permite realizar la configuración de dos maneras una es por lista de comandos y la otra de manera interactiva (Ver Imagen 9). Conforme a la guía de usuario de los transceptores XBee Pro Serie 2 se realizó la configuración de los parámetros para la red71.
Imagen 9. Ambiente grafico para configuración de nodos.
Fuente: Autores
Configuración del nodo coordinador La configuración de la red se llevará a cabo por medio de la interfaz gráfica, en la
cual se configura cada dispositivo con los parámetros de la red como lo son:
El identificador de la red, ID PAN.
El número de canales para escaneo, Scan Chanel (por defecto se configurara en el número máximo de canales.
Duración del escaneo.
71
XBee®/XBee-PRO® ZB RF Modules, Digi international Inc.
103
Los parámetros mencionados con anterioridad solo se configuran en el nodo coordinador, ya que al ser una red de difusión a medida que se conecte un dispositivo el coordinador será el encargado de enlazarlo y asignarle los parámetros de configuración de la red en la Imagen 10 se puede observar la configuración de los parámetros de la red que se aplicaran a este proyecto. Imagen 10. Programación del nodo coordinador.
Fuente: Autores Identificador de la red (PAN ID): Por medio de este parámetro se identificara la red, es decir cuando no se trabaja con una sola red es necesario tener en cuenta el identificador de esta ya que los datos que lleguen al Gateway llegaran con el identificador que es único para cada red. Por defecto los parámetros están configurados en cero sin embargo y teniendo en cuanta que puede no trabajarse solo con una red se debe tener un orden lógico al asignar dicho identificados, para el protocolo Zigbee existen 255 posibilidades, es decir se pueden concentrar 255 redes de área personal sin que una interfiera en la otra. Elección del canal: La elección del canal para la operación de la red aunque no es relevante se debe tener en cuenta que si se va a trabajar con más de una red operando en áreas próximas una de la otra debe realizarse la asignación de una cala diferente para cada una de ellas, por medio del software X-CTU puede configurarse este parámetro teniendo en cuenta que se tiene 16 canales disponibles para los dispositivos con frecuencia de transmisión de 2,4GHz.
104
Luego de esto se procede a configurar la interfaz de comunicación serial en la cual los parámetros para la red son los siguientes:
9600 baudios.
0 bits de paridad.
0 bits de parada.
Tiempo de paquetización, 3.
Control de flujo habilitado CST.
La configuración de estos parámetros debes ser realizada para todos los dispositivos de la red (Nodo coordinador, Nodo ruteador, Dispositivos terminales). En la Imagen 11 puede observarse los parámetros que se configuraran en el nodo
coordinador.
Después de configurar los parámetros se procede a programar el nodo y luego verificarlo.
Programación del nodo ruteador. Para la configuración de nodo ruteador solo se procede a cargar los firmware de un nodo ruteador AT ya que el solo posee características de enrutamiento, el enlace de este a la red lo hace el coordinador, para verificar esto se conecta el nodo coordinador a una alimentación externa al puerto del computador, el nodo ruteador se conecta al PC, de tal forma que los parámetros de enlace puedan observarse, en la Imagen 12 pude observarse la configuración del nodo después de enlazarse con el nodo coordinador.
105
Imagen 11. Configuración interfaz serial del nodo
Fuente: Autores
Configuración de los dispositivos terminales o ED. Para la programación de los dispositivos terminales solo debe tenerse en cuenta parámetros como el muestreo de los pines de entrada del módulo de comunicación y que lo que se reciba por allí es lo que será enviado. En los nodos terminales es importante la configuración en modo dormido ya que esto permitirá el ahorro de energía. Los parámetros en estos dispositivos en cuanto a la configuración del puerto serial es el mismo que en los demás dispositivos de la red. La configuración para modo dormido es la siguiente: 5. Modo de dormido 4 (lo cual lo pone en modo cíclico). 6. Tiempo antes de despertar (1388), estos parámetros deben ingresarse en
hexadecimal. 7. Periodo cíclico de dormido se encuentra en el valor mínimo hexadecimal ya
que el nodo será despertado por medio de una señal de alerta que será enviada desde el nodo coordinador.
El resto de parámetros quedarán de la misma forma, en la Imagen 12 puede observarse la configuración del nodo. De esta manera se configuraron los dispositivos para la red a implementar.
106
Imagen 12. Programación del nodo ruteador
Fuente: Autores
Inicialización del nodo coordinador.
La aplicación del dispositivo realiza una petición en la lista de canales para realizar una búsqueda o escaneo de los canales indicados. La confirmación resultante obtiene una lista detallada de los WPAN que se encuentran activos. La aplicación del dispositivo compara la lista de canales con la lista de red y selecciona uno de los canales que se encuentre libre. Una vez se identifica el canal, la aplicación del dispositivo selecciona los atributos de seguridad de la capa y trama correspondientes a los parámetros de configuración. Después la aplicación chequea si se ha podido establecer el PAN en el canal. En operación normal el nodo coordinador permite que otros dispositivos se unan a la red basándose en sus parámetros de configuración; como lo son el identificador de la red y el tiempo de escaneo. Además es el encargado de dar respuestas a cualquier dispositivo u operaciones del servicio de descubrimiento de su propio dispositivo o de cualquier dispositivo que tenga asociado y que esté dormido. La aplicación del dispositivo debe asegurarse de que el número de entradas de enlace no sobrepasen los indicados en los parámetros de configuración. Por tanto, el nodo coordinador debe soportar el control del proceso de incorporación a la red de cualquier dispositivo.
107
Imagen 13. Configuración de nodo ED
Fuente: Autores
Generalmente el nodo coordinador realiza una tabla de dispositivos asociados lo cual facilita el soporte para elementos huérfanos, permitiendo que puedan volver a ser enlazados y adheridos a la red. Por otro lado, el nodo coordinador cuenta con primitivas que permitan eliminar o desasociar los dispositivos que estén bajo su control. El coordinador procesa las peticiones de solicitud del ruteador o de los dispositivos finales. Una vez recibida la solicitud de desconexión el coordinador espera un tiempo para recibir una segunda petición de desconexión. Si le llega en un tiempo determinado, el coordinador pasará a examinar el identificador del perfil (Profile ID) para ver si coincide. Si coincide, lo incluye en una lista llamada AppOutClusterList para que deje de pertenecer a la red. Si no coincide se enviará un error al dispositivo que solicita la desconexión, es decir, el dispositivo seguirá perteneciendo a la red.
Enlace e inicialización del nodo ruteador. El nodo ruteador tiene como función rutear los paquetes de información enviados por los demás dispositivos de la red permitiendo que otros dispositivos se unan a la red basándose en los parámetros de configuración que tiene, como el número de elementos máximos o el tiempo en el que puede estar un elemento en la red. Cuando un dispositivo nuevo se une a la red, la aplicación del dispositivo debe ser informada al nodo coordinador mediante un salto de información que pasa a través
108
del nodo ruteador. Cuando se haya admitido en el PAN, el ruteador debe indicarle la confirmación de la conexión. Además debe responder a cualquier dispositivo descubierto o a operaciones del servicio de descubrimiento, tanto de su propio dispositivo como de cualquier otro asociado que pudiera estar dormido. El ruteador debe permitir también la eliminación de la red de dispositivos asociados bajo su control de aplicación y mantener una tabla con las direcciones MAC de los dispositivos asociados para facilitar el soporte para que los procesos de búsqueda e incorporación de elementos huérfanos de los dispositivos que previamente han estado asociados, puedan volver a unirse a la red.
Enlace e inicialización de dispositivos terminales (ED). Al igual que el nodo ruteador, se realizan varias peticiones de descubrimiento para saber cuántos elementos son los que hay en la red. La aplicación del dispositivo debe comparar la lista de canales con la lista de red para deducir a qué red debe unirse. En el algoritmo debe indicarse entre otras cosas: el modo de operación de la red, identificación del ruteador o coordinador de la red. Una vez hecho, debe verificar la asociación con el nodo coordinador ZigBee en la red. El dispositivo final ZigBee debe responder a cualquier dispositivo descubierto o a las peticiones de operación del servicio de descubrimiento de su propio dispositivo.
Incorporación de nuevos dispositivos en la red. Este procedimiento sólo puede ser iniciado por dispositivos ZigBee que sean Coordinador o Ruteador. En caso de que otro dispositivo iniciase este proceso, sería cancelado por el Servicio de Control de la capa de Red. Para este procedimiento se habilita el parámetro PermitDuration y la sub-capa MAC se configura para permitir la asociación con nuevas direcciones MAC. Desde este momento, el dispositivo está esperando que nuevos dispositivos acepten su solicitud para formar parte de la red. Este proceso no tiene una duración determinada, sólo finalizará en el caso de que aparezca otra orden o primitiva que la anule. En la Figura 38 se muestra todo este proceso, en un diagrama de comunicación, en el que se puede apreciar además las primitivas utilizadas en todo el proceso.
109
Figura 38. Diagrama de comunicación con primitivas para nuevos dispositivos en una red.
Fuente: RF and Wireless tecnologies.
5.3.5. Análisis de consumo de batería y selección de baterías.
Para una WSN es de gran importancia la duración de las baterías ya que estas proporcionaran ventajas sobre otros sistemas de redes basadas en otros protocolos, ya que Zigbee es un protocolo diseñado para tener un bajo consumo y por ende una gran duración de las baterías. De esta manera y para el cálculo de la duración de baterías se utilizó una aplicación que brinda el fabricante de los transceptores basada en los parámetros de estos, en cuanto a consumo de corriente en modo transmisión , consumo de corriente en modo recepción, y modo dormido, en la Imagen 14 se puede observar el promedio de consumo en corriente y la duración total para cada dispositivo el cual se elige como un escenario en donde se introducen los parámetros de funcionamiento de los transceptores.
Se puede observar que para los nodos coordinador y ruteador es aconsejable mantenerlos conectados a una fuente de alimentación de la red principal de los galpones, mientras que los nodos terminales con una batería de 600mAh y transmitiendo cada 3 minutos en un caso extremo de consumo de energía para la red las baterías tendrían una duración de dos años, lo cual es un punto a favor para el diseño de la red.
110
Imagen 14. Cuadro de cálculo de duración de las baterías.
Sin embargo este escenario que se propone es un caso extremo ya que los dispositivos terminales no transmitirán cada 3 minutos, en un caso real para una red de monitoreo de temperatura y humedad en galpones para pollos de engorde, lo ideal es realizar muestreos cada 5 a 10 minutos, esto debido a que el delta de variación de estas dos no es tan pequeño, lo cual quiere decir que la temperatura y la humedad son variables que no cambian de una manera abrupta a menos que existan fenómenos externos que las hagan variar de una manera anormal, en el anexo 4 puede observarse la configuración con dos parámetros más de configuración para uso de energía.
111
5.4. DESARROLLO DE UNA INTERFACE DE VISUALIZACIÓN DE LAS VARIABLES A MONITOREAR
Parte importante y relevante del proyecto es el medio de visualización en el cual se evidenciará el comportamiento de las variables de estudio. La información transmitida por los nodos y su proceso de adquisición y visualización se muestran en el siguiente aparte.
5.4.1. Plataforma para el diseño del software de visualización de las variables
Dentro de las plataformas de visualización y procesamiento de señales se encuentra una amplia gama de posibilidades, como por ejemplo Visual Basic, Java, C, Flowol, Matlab, Labview, entre otros. Para esté caso en particular el entorno gráfico debe ser fácil e intuitivo para la persona que este monitoreando las variables como requisito mínimo. Los criterios relevantes para la elección del software de visualización principalmente son:
Una plataforma de fácil acceso. y que no requiera de la construcción del ambiente completo por medio de códigos de programación y sincronización entre Hardware y Software.
Una plataforma que permita realizar adquisición de datos por el puerto USB para que se adapten al nodo coordinador y la base programadora FT 232.
Una plataforma de facial programación y que permita el tratamiento de las señales recibidas.
Después de realizar un análisis acerca de los criterios relevantes para la elección del software, se elige la plataforma Labview, ya que esta es la más adecuada para el desarrollo de este proyecto, puesto que brinda la flexibilidad de ser un potente lenguaje de programación sin la complejidad de otros entornos y cuenta con herramientas de instrumentación virtual. Como complemento de las ventajas de Labview frente a otras plataformas lo son72:
Trabaja múltiples tareas simultáneas de forma sencilla (multithreading) aprovechando al máximo las ventajas de tener múltiples procesadores.
Trabaja con distintas plataformas de hardware utilizando la misma plataforma de software (Labview), por ejemplo, tarjetas de adquisición de datos (entradas y salidas análogas, contadores, entradas y salidas digitales), multímetros digitales, osciloscopios, controladores embebidos de tiempo real, comunicación serial y GPIB, tarjetas de control de motores, cámaras, FPGA's, microcontroladores, PLC's, entre otras.
72
http://forums.ni.com/t5/LabVIEW/Por-que-Labview/td-p/835559, consultado 10 de junio de 2010.
112
Se tienen múltiples toolkits y módulos para aplicaciones que requieran de procesamiento de señales, control, visión, control de motores, generación de reportes, comunicación con bases de datos, etc.
Generación automática de código.
Interface amigable para probar el hardware (Measurement & Automation Explorer).
Comunicación con dispositivos remotos conectados por Ethernet. Otro factor importante en el momento de escoger a Labview como plataforma de visualización, es que es una herramienta con la cual cuenta la Universidad San Buenaventura con las licencias adecuadas para el desarrollo de proyectos.
5.4.2 Diseño de la Plataforma de Recepción y Visualización de las Señales en el Entorno Virtual.
El diseño pertinente a esta etapa debe permitir la correcta visualización de la temperatura y humedad, para poder realizar un análisis acerca de las muestras tomadas y el comportamiento de dichas variables La lógica de programación que se utiliza para el desarrollo del algoritmo consiste
en recibir la información proveniente de los nodos, temperatura y humedad de los
dos sensores; posteriormente dividir las 4 señales para realizar un procesamiento
de estos datos para que su visualización sea por medio de indicadores. La
temperatura y humedad se registrará en grados Celsius °C y porcentaje de
humedad relativa %.respectivamente. La Imagen 15 representa el diagrama de
flujo de la visualización.
Imagen 15. Diagrama de bloques visualización Labview
Fuente: Autores
113
5.4.3 Implementación del Algoritmo de Visualización en Labview. El entorno de programación de Labview es realmente intuitivo, sin embargo se
deben tener conocimientos previos y una lógica de programación adecuada, ya
que esta plataforma es de tipo gráfico. La programación se realiza sobre los
denominados VI, este contiene 2 ventanas, una designada como Block Diagram
en donde se realiza la estructuración y el algoritmo y otra designada como Front
Panel que es el encargado de la interacción con el usuario.
Adquisición de la señal. En primer lugar para recibir el dato proveniente de los
sensores es necesario realizar la comunicación con el puerto USB. Este puerto se
comporta como un puerto serial virtual, por esta razón se utiliza el icono de Visa
en Labview para habilitar el puerto y realizar la lectura (ver Imagen 17).La lectura
que realiza el puerto serial es la información que proviene de los nodos, estos en
su estructura poseen una cabecera, un identificador de nodo, 2 byte de
sincronismo que se configuran en el momento de enlazarse con el nodo
coordinador y finalmente los datos, que tienen una bandera de inicio y otra de
final.
Imagen 16. Trama de datos leída en Labview
Fuente: Autores
Imagen 17. Habilitación y lectura del puerto serial
Fuente: Autores
114
Para realizar la identificación de cada nodo se construye un arreglo donde se busca el identificador para cada nodo, para el nodo 1 DB y para nodo 2 DF (ver
Imagen 18. Posteriormente se realiza una serie de comparaciones y se crea otro sub arreglo que contenga la información, para las pruebas preliminares se realizó un panel frontal para evidenciar la correcta identificación de los nodos.
Imagen 18. Programación para la identificación de los nodos.
Fuente: Autores Imagen 19. Panel frontal identificación de los nodos
Fuente: Autores
Procesamiento de las señales. Después de identificar de donde proviene la
información, es decir si es del nodo 1 o del nodo 2, se procede a separar las
señales de temperatura y humedad de cada uno. La estructura utilizada para el
115
desarrollo de esta función en primer instante fue la función Case de Labview, que
permite la selección entre dos posibles casos, ya sea humedad o temperatura. A
partir de la a información previamente organizada en un arreglo se toma el número
de bytes que contengan dicha información, estos datos se procesan por medio de
herramientas de Labview para la creación de los indicadores, ver Imagen 20.
Panel de visualización nodo 1.Imagen 19.
Para identificar el correcto funcionamiento del código se realizaron diferentes
pruebas, la primera de ellas consistió en comprobar el envió de información de
cada uno de los nodos y así mismo verificar si la temperatura y la humedad son
visualizadas tanto en graficas como indicadores que son de gran ayuda visual. En
la Imagen 20 se evidencia la adquisición de datos del nodo 1, mientras que en la
Imagen 21 se presenta la información del nodo 2. Estas pruebas se realizaron en
diferentes tiempos, es decir en la prueba del nodo 1 solo este nodo estaba
transmitiendo ver
116
Imagen 22.
Imagen 20. Panel de visualización nodo 1.
Fuente: Autores
Imagen 21. Panel de visualización nodo 2.
Fuente: Autores En el momento de realizar las pruebas se evidenció un problema y este fue cuando se recibe cierta cantidad de información la bandera de identificación de cada nodo, no se encuentra siempre en la misma posición del arreglo. Para solucionar esta dificultad se recurrió a la utilización de la herramienta Search 1D, que permite buscar dentro de un arreglo determinado un dato especifico, en este caso el identificador de cada nodo (ver Imagen 23 ).
Pruebas preliminares de adquisición de datos. Dentro de las pruebas finales
que se realizaron los 2 dispositivos finales fueron conectados para él envió de la
información de forma inalámbrica sea gestionada por el nodo coordinador. Como
resultado de dicha prueba se evidenció la necesidad de utilizar retardos en la
ejecución del programa y así mismo utilizar la herramienta denominada Flat
Sequence para realizar una programación estructurada. En la Imagen 24 se puede
observar los datos de temperatura y humedad tanto del nodo 1 como nodo 2.
117
El primer bosquejo de visualización del panel frontal para el proyecto se puede observar en la
118
Imagen 25
119
Imagen 22. Procesamiento de las señales
Fuente:Autores.
120
Imagen 23. Búsqueda del identificador de cada nodo
Fuente: Autores
Imagen 24. Prueba preliminares de adquisición de datos
Fuente: Autores
121
Imagen 25. Interfaz Gráfica del Panel frontal preliminar
Fuente: Autores Previamente a la visita y a la prueba en el galpón se realizaron pruebas del funcionamiento del prototipo. En la Imagen 26, se puede ver el registro de la temperatura y humedad de dos nodos en diferentes posiciones y en la Imagen 27 se puede observar el registro general de los datos, que consta de 4 gráficas: por cada posición temperatura y humedad relativa respectivamente. En el anexo 5 se podrá consultar otras pruebas. Imagen 26. Visualización de la tabla de registro
Fuente: Autores
122
Imagen 27. Registro general
Fuente: Autores
123
6. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como resultado de este proyecto, se establece una red de sensores inalámbrica compuesta por 4 nodos XBEE PRO, Serie 2, que utiliza protocolo Zigbee. La red está compuesta por un nodo coordinador, un nodo ruteador y dos nodos terminales, cada uno de estos últimos tienen un sensor SHT 71 que mide temperatura y humedad, variables registradas en una interface desarrollada sobre la plataforma de Labview. Las pruebas del prototipo funcional se realizaron en los galpones de la avícola Cascabita (ver Imagen 28 e Imagen 29), ubicados en el departamento de Cundinamarca, municipio de Ubaque a 2 horas de Bogotá, con una temperatura media de 18°C. El procedimiento para verificar el funcionamiento de la Red de Sensores Inalámbrica se basó en conocer las características del galpón en donde se iban a realizar las pruebas, la verificación de la red, el correcto funcionamiento de los sensores y finalizando con la toma y registro de los datos.
6.1 CARACTERÍSTICAS DEL GALPÓN.
Dimensiones: 74 m de longitud x 10 m de ancho.
Capacidad de aves: 8 500.
Temperatura media: 20°C
Humedad relativa: 71% HR
Imagen 28. Galpón Avícola Cascabita II
Fuente: Autores
124
Imagen 29. Galpón Avícola Cascabita II
Fuente: Autores
6.2 UBICACIÓN DE LOS NODOS Según las indicaciones del criador las aves ante los cambios de temperatura se acomodan en diferentes puntos del galpón. La mayor parte del tiempo se acumulan en el centro, razón por la cual se decidió posicionar un nodo 10m de una de las culatas a una altura promedio del piso de 52cm y el nodo 2 a 25m del nodo 1, a una altura de 50 cm, ver Imagen 30. Imagen 30. Ubicación del nodo 1 en el galpón
Fuente: Autores
Sensor temperatura y humedad SHT 71
125
Verificación red Para verificar el sincronismo entre la red y el funcionamiento del sensor se utilizó un software llamado Zigbee Operator, allí se observó el desempeño óptimo de la red, ver Imagen 31 Imagen 31. Verificación de la Red de Sensores Inalámbrica
Fuente: Autores
6.3 TOMA Y REGISTRO DE DATOS
Después de realizar el posicionamiento de los nodos dentro del galpón se procedió a realizar la toma y el registro de los datos(ver Imagen 32, Imagen 33, Imagen 34, Imagen 35 e Imagen 36). Las pruebas se realizaron durante diferentes horas de la mañana, en la que se puede observar el comportamiento de la temperatura y humedad en las diferentes celdas de ubicación. Imagen 32. Tabla de registro temperatura y humedad I
Fuente: Autores
126
Imagen 33. Registro General temperatura y humedad I
Fuente: Autores Imagen 34. Tabla de registro temperatura y humedad II
Fuente: Autores
Imagen 35. Registro General temperatura y humedad II
Fuente: Autores
127
Imagen 36. Tabla de registro temperatura y humedad III
Fuente: Autores
Imagen 37. Registro General temperatura y humedad III
Fuente: Autores
Gracias al registro de los datos en tablas y gráficas se puede observar que la variación de la temperatura se puede considerar constante, cuando se inició la medición estaba entre 19 y 20°C, hacia medio día la temperatura aumentó hasta 24°C. Sin embargo, este delta de 5°C no fue un cambio brusco por lo cual no altera mucho a las aves. La variación de la humedad tuvo un delta un poco más significativo, ya que en las horas de la mañana la humedad relativa era aproximadamente de 80% hacia el mediodía descendió hasta 65%.
128
7. CONCLUSIONES
El comportamiento de las aves, específicamente los pollos de engorde durante su levante se ven afectados por variables ambientales, después de realizar entrevistas con expertos criadores se evidencia que entre las principales se encuentra bioseguridad, temperatura y humedad.
Cuando la temperatura y humedad cambian de forma abrupta los pollos se estresan afectando el producto final que es la calidad de la carne, así mismo puede existir en las aves alteraciones en su sistema vascular causando lesiones superficiales. El estrés por calor en los pollos también genera retraso en los procesos metabólicos del animal, en la ingesta y digestión de los alimentos, el poco apetito, mayor gasto de energía en la síntesis de proteínas y poco aumento en la masa muscular. Por tanto el monitoreo de la temperatura y la humedad dentro del proceso de la crianza de pollos de engorde arroja como resultado la necesidad de esta industria a tener ambientes controlados para un mejor levante de sus aves, siendo este proyecto una base importante para futuros proyectos acerca del control de estas variables.
La caracterización del sensor SHT71 y específicamente su calibración realizada en el Centro de Metrología y los galpones, como también la búsqueda del error, esto permite constatar la información que brinda el fabricante para la correcta lectura de las variables a monitorear durante el proceso de la crianza de pollos de engorde. La tolerancia de error del sensor no actúa de una manera lineal, sino describe una curva en la cual el error más bajo se presenta a una temperatura de 25°C con +/- 0.5°C hasta un error aproximado de +/- 3°C a una temperatura de -40 y 100°C. Para la humedad el comportamiento del sensor SHT71 es aceptable, ya que el error que se presenta no asciende a ser mayor que 4%HR.
La implementación de redes inalámbricas malladas es sin lugar a duda la mejor manera de garantizar la confiabilidad de la red, ya que debido a la restricción de acceso a los galpones en producción esta puede gestionar por sí misma un autoruteo en dado caso que alguno de los nodos adyacentes o cualquier dispositivo ruteador no esté disponible o este fuera de servicio.
La configuración de varios sensores por nodo para mayor cobertura de una celda generan mayor uniformidad en los datos muestreado y por ende una mayor confiabilidad para realizar ajustes es los programas de crianza
La plataforma de Labview es una excelente herramienta para la instrumentación industrial, su implementación para el desarrollo de este prototipo fue muy acertado, ya que permite una clara visualización acerca del
129
comportamiento tanto de la temperatura y la humedad. Las diferentes herramientas que presenta Labview hacen de esta plataforma muy robusta. La generación de tablas es un registro muy valioso para poder evaluar como varia la humedad y la temperatura dentro del galpón y así poder tomar decisiones..
130
8. RECOMENDACIONES
El montaje del prototipo dentro de los galpones debe realizarse antes del ingreso de las aves, ya que el monitoreo debe realizar desde el primer momento en el cual llegan los pollos de engorde para su proceso de levante.
Es necesario tener una estación base para el monitoreo y realizar una inducción previa para explicar el funcionamiento del sistema.
Antes de empezar el monitoreo en Labview es necesario comprobar la sincronización entre el nodo coordinadores y los dispositivos terminales.
La distribución de los sensores debe realizarse con precaución de tal manera que se evite dejar estos muy cercanos a las fuentes de agua, ya que pueden causar medidas erróneas.
Es recomendable realizar pruebas del efecto de la radiación en los animales, ya que aunque no existen estudios respecto al caso estas pueden afectar o retrasar el desarrollo de los animales.
131
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139
Anexo 1
FORMATO PARA ENTREVISTA CON AVICULTORES
NOMBRE DE LA EMPRESA O NEGOCIO ____________________________
______________________________________________________________
TELEFONO: _______________ UBICACIÓN: _________________________
______________________________________________________________
NOMBRE DEL ADMINISTRADOR: _________________________________
Preguntas sobre estructura
1. Qué tipo de galpones existen en esta zona? Por qué este galón es de ese tipo?
2. Qué factores son importantes en cuanto a estructura física en los galpones? 3. ¿Según su experiencia cuales son los galpones más comunes? 4. ¿Cuáles son las necesidades de sus galpones? 5. Cuantos pollos puede albergar este galpón? 6. Que criterio tienen para elegir la orientación de los galpones? 7. Que distancia debe existir entre galpón y galpón y por qué? 8. De qué manera obtienen los datos de temperatura y como la controlan? 9. De qué manera obtienen los datos de humedad y como la controlan?
Preguntas sobre legislación
1. ¿Conoce que políticas o la legislación actual para la producción de pollo en el país?
2. ¿Quiénes dan las políticas para la producción de pollo en su región? 3. ¿Qué tipo de legislación cumple su negocio? Y si no lo hace, ¿Qué impide
que pueda cumplir con ella? 4. De qué manera se tratan los residuos del galpón? 5. Que impedimentos encuentra en las políticas o leyes para la crianza de
pollos o producción de huevo, para el crecimiento de su negocio?
Preguntas sobre el producto
1. Cómo es el proceso antes, durante y después del ingreso de los pollos a los galpones?
2. ¿Sabe usted cuales son las principales variables que afectan la crianza de pollo en su galpón?
3. De qué manera influyen dichas variables en el crecimiento y en el producto final?
140
4. Cómo es el comportamiento habitual de los pollos? 5. Cómo se distribuyen los pollos dentro del galpón? 6. Que características tienen los pollos estresados? 7. ¿Qué efectos o en que le afecta a su producto no controlar estas variables? 8. Cuánto tiempo dura el proceso de engorde? 9. Qué tipo de enfermedades son comunes en los pollos de engorde? 10. Cuantos animales mueren aproximadamente?
Preguntas sobre el proyecto
1. Usted estaría de acuerdo con utilizar en su galpón tecnología? 2. ¿Cree usted que la tecnología podría ayudarle a cumplir con algunos
aspectos legales y comerciales de su empresa? 3. Conoce galpones con ambiente controlado? 4. Qué relación consto beneficio ve en la implementación tecnología en sus
instalaciones?
BIOSEGURIDAD.
1. De qué manera se desinfectan los galpones y que insumos son utilizados? 2. El agua que queda como residuo de la desinfección hacia donde es
dirigida?
141
ANEXO 2. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLODAR PIC16F628A PARA EL SENSOR SHT71
int j,ver=0,datohum=0,alto1=0, bajo1=0, i,datotemp=0,k,T=0x54,e=0x65,m=0x6D,p=0x70,h=0x68,u=0x75,f1,f2,f3,f4; unsigned long Bytehum=0x00,Bytetemp=0x00; unsigned long hum=0,temp=0; unsigned short dato = 0x00; char show[10]; void Inicio() //subfuncion de Inicio { PORTA.F0=1; PORTA.F1=0; //ESTADO INICIAL Delay_ms(1); PORTA.F1=1; Delay_ms(1); PORTA.F0=0; Delay_ms(1); PORTA.F1=0; Delay_ms(3); PORTA.F1=1; Delay_ms(1); PORTA.F0=1; Delay_ms(1); PORTA.F1=0; } void Cero() //Subfunción que en un ciclo de reloj del sensor da un pulso bajo al pin data del sensor { PORTA.F1=0; PORTA.F0=0; Delay_ms(1); PORTA.F1=1; PORTA.F0=0; Delay_ms(1); } void Uno() //Subfuncion que en un ciclo de reloj del sensor da un pulso alto al pin data del sensor { PORTA.F1=0; PORTA.F0=1; Delay_ms(1); PORTA.F1=1; PORTA.F0=1; Delay_ms(1); }
142
void Reset() //Subfuncion de reset { Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Uno(); Inicio(); } void Direccion() //000, Direccion por defecto del sensor segun hoja de datos { Cero(); Cero(); Cero(); } void ComHum() //00101, registro del sensor segun hoja de datos { Cero(); Cero(); Uno(); Cero(); Uno(); } void ComTemp() //00011, registro del sensor segun hoja de datos { Cero(); Cero(); Cero(); Uno(); Uno(); } void LeerStaReg() //00111, registro del sensor segun hoja de datos { Cero(); Cero(); Uno(); Uno(); Uno(); } void EscStaReg() //00110, registro del sensor segun hoja de datos { Cero();
143
Cero(); Uno(); Uno(); Cero(); } void Reloj() //Subfuncion Reloj, da un alto y un bajo al SCK del sensor_- { PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); } unsigned long Leer() //Subfuncion Leer, lee los datos que envia el sensor y los guarda en dato { unsigned long dato = 0x00; TRISA.F0=1; i=0; do { Reloj(); dato = dato << 1; dato+=PORTA.F0; i++ ; } while(i<=7); return dato; } unsigned long EjemHum() { Inicio(); //Llamar subfuncion Inicio Delay_ms(1); Direccion(); //Llamar subfuncion Direccion 000 ComHum(); //Llamar subfuncion Comando de humedad 00101 TRISA.F0 = 1; //Ack PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); PORTA.F1 = 0; Delay_ms(60); //Espera 60ms mientras el sensor toma la humedad alto1=Leer(); //Llamar subfuncion Leer y guardar dato en alto1 datohum+=alto1<< 8; //Correr alto1 8 bits a la izquierda y guardar en datohum TRISA.F0 = 0; //Ack
144
PORTA.F0 = 1; PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); TRISA.F0 = 1; bajo1=Leer(); //Llamar subfuncion Leer y guardar dato en bajo1 datohum+= bajo1; //Sumar Bajo1 a datoHum (datoHum=alto1+bajo1) TRISA.F0 = 0; //Ack PORTA.F0 = 1; PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); TRISA.F0 = 1; Reloj(); //CRC-8 Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Uno(); TRISA.F0 = 0; //Reiniciar PORTA TRISA.F1 = 0; PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 0; return datohum; } unsigned long EjemTemp() { //Inicio(); //Llamar subfuncion Inicio Delay_ms(1); Direccion(); //Llamar subfuncion Direccion 000 ComTemp(); //Llamar subfuncion Comando de temperatura 00011 TRISA.F0 = 1; //Ack PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); PORTA.F1 = 0; Delay_ms(250); //Espera 250ms mientras el sensor toma temperatura alto1=Leer(); //Llamar subfuncion Leer y guardar dato en alto1
145
datotemp+=alto1<< 8;; //Correr alto1 8 bits a la izquierda y guardar en datotemp TRISA.F0 = 0; //Ack PORTA.F0 = 1; PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); TRISA.F0 = 1; bajo1=Leer(); //Llamar subfuncion Leer y guardar dato en bajo1 datotemp+= bajo1; //Sumar bajo1 a datotemp (datotemp=alto1+bajo1) TRISA.F0 = 0; //Ack PORTA.F0 = 1; PORTA.F1 = 0; Delay_ms(1); PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 1; Delay_ms(1); TRISA.F0 = 1; Reloj(); //CRC-8 Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Reloj(); Uno(); TRISA.F0 = 0; //Reiniciar PORTA TRISA.F1 = 0; PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 0; return datotemp; } void main() //Programa principal { TRISA = 0; //PORTD como salida TRISA.F0 = 0; //INICIALIZA PUERTO A0 COMO SALIDA ESTE PARA DATA TRISA.F1 = 0; //COMO SALIDA A1 SCK for(j=1;j=1;j++){ PORTA.F0 = 0; PORTA.F1 = 0; ByteHum=EjemHum(); Delay_ms(25);
146
hum=((-2.046)+(0.0367*xloca+(-1.5955e-6*ByteHum*ByteHum))); datohum=0; Reset(); Delay_ms(100); Bytetemp=EjemTemp(); Delay_ms(25); temp=((-40.1+(0.01)*Bytetemp)); datotemp=0; Delay_ms(500); // Iniciar (8 bit, 9600 baud rate, no parity bit..) FloatToStr(temp,Texto); Usart_Init(9600); Delay_ms(25); Usart_Write('T'); // Send data via UART Temp Usart_Write(':'); Usart_Write(f1); Usart_Write(f2); Usart_Write(f3); Usart_Write(f4); Delay_ms(25); Usart_Write('H'); // Send data via UART Hum Usart_Write(':'); Usart_Write(f1); Usart_Write(f2); Usart_Write(f3); Usart_Write(f4); }//~! }
147
Anexo 3. Calculo de baterías por nodo. Calculo para trasmisión cada 6 segundos con baterías de 600mAh.
148
Calculo para trasmisión cada 5 minutos con baterías de 600mAh.
149
ANEXO 4- PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
La programación de Labview permite ver la tabla de registros de las mediciones tomadas. La medición de la temperatura esta en C y la humedad en %HR.
150
Adicionalmente se pueden observar gráficas del comportamiento de la temperatura y la humedad
151
ANEXO 6. CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN LABVIEW
152
153
ANEXO 6. PANEL FRONTAL
154
ANEXO 7. ESQUEMÁTICO
155
ANEXO 8.
COTIZACIÓN Y PRESUPUESTO DE LA RED
A continuación se presenta la cotización de un nodo como coordinador, uno como
dispositivo terminal y otro como ruteador.
Nodo como coordinador
Num. Descripción VR.Unit.$. Cant. Subtotal $.
1 Condensador cerámico* 30 2 60
2 Cristal 4MHz* 400 1 400
3 Base circuito integrado 18 pines 100 1 100
4 Base circuito integrado 20 pines 105 1 105
5 Conector 2 pines 65 1 65
6 Microcontrolador PIC16F628A 6300 1 6300
7 Jumper 60 4 240
8 Pulsador SW951 310 2 620
9 Suiche ON/OFF 1500 1 1500
10 Resistencia 470 OHM ¼ W 20 3 60
11 Resistencia 10 K ¼ W 20 5 100
12 Módulo XBEE PRO SERIE 2 con antena de alambre
95500 1 95500
13 Diodo LED (Blanco, Azul, Verde) 285 3 885
14 Base para configuración de los módulos XBEE
45000 1 45000
15 Conector 4 pines 95 1 95
16 Caja para ensamble 8.5x5.5x3 cm 1050 1 1050
17 Circuito impreso 10000 1 10000
Total 162080
Fuente: Autor, cotización
http://www.suconel.com/t_suconel/canasta.asp?estado=adicionar&cod_product=1
5751
Nodo como ruteador
Num. Descripción VR.Unit.$. Cant. Subtotal $.
1 Condensador cerámico* 30 2 60
2 Cristal 4MHz* 400 1 400
3 Base circuito integrado 18 pines 100 1 100
4 Base circuito integrado 20 pines 105 1 105
5 Conector 2 pines 65 1 65
6 Microcontrolador PIC16F628A 6300 1 6300
156
7 Jumper 60 4 240
8 Pulsador SW951 310 2 620
9 Suiche ON/OFF 1500 1 1500
10 Resistencia 470 OHM ¼ W 20 3 60
11 Resistencia 10 K ¼ W 20 5 100
12 Módulo XBEE PRO SERIE 2 con antena de alambre
95500 1 95500
13 Diodo LED (Blanco, Azul, Verde) 285 3 885
14 Base XBEE DIP 9000 1 9000
15 Conector 4 pines 95 1 95
16 Caja para ensamble 8.5x5.5x3 cm 1050 1 1050
17 Circuito impreso 10000 1 10000
18 Adaptador de voltaje fijo 4.5VDC/1.2ª 8000 1 8000
19 Regulador de voltaje 3.3V TLV2217-33 2250 1 2250
Total 136330
Fuente: Autor, cotización
http://www.suconel.com/t_suconel/canasta.asp?estado=adicionar&cod_product=1
8944
Nodo como dispositivo terminal
Num. Descripción VR.Unit.$. Cant. Subtotal $.
1 Condensador cerámico* 30 2 60
2 Cristal 4MHz* 400 1 400
3 Base circuito integrado 18 pines 100 1 100
4 Base circuito integrado 20 pines 105 1 105
5 Conector 2 pines 65 1 65
6 Microcontrolador PIC16F628A 6300 1 6300
7 Jumper 60 4 240
8 Pulsador SW951 310 2 620
9 Suiche ON/OFF 1500 1 1500
10 Resistencia 470 OHM ¼ W 20 3 60
11 Resistencia 10 K ¼ W 20 5 100
12 Módulo XBEE PRO SERIE 2 con antena de alambre
95500 1 95500
13 Diodo LED (Blanco, Azul, Verde) 285 3 885
14 Base para configuración de los módulos XBEE
45000 1 45000
15 Conector 4 pines 95 1 95
16 Caja para ensamble 8.5x5.5x3 cm 1050 1 1050
17 Circuito impreso 10000 1 10000
18 Base XBEE DIP 9000 1 9000
19 Sensor SHT 71 110200 1 110200
157
Total 281280
Fuente: Autor, cotización
http://www.suconel.com/t_suconel/canasta.asp?estado=adicionar&cod_product=1
8944
http://www.sigmaelectronica.net/shopping_cart.php
Como se propone que cada dispositivo terminal tenga cuatro sensores, la
cotización del dispositivo terminal cambiaria de la siguiente manera.
Nodo como dispositivo terminal
Num. Descripción VR.Unit.$. Cant. Subtotal $.
1 Condensador cerámico* 30 2 60
2 Cristal 4MHz* 400 1 400
3 Base circuito integrado 18 pines 100 1 100
4 Base circuito integrado 20 pines 105 1 105
5 Conector 2 pines 65 1 65
6 Microcontrolador PIC16F628A 6300 1 6300
7 Jumper 60 4 240
8 Puldador SW951 310 2 620
9 Suiche ON/OFF 1500 1 1500
10 Resistencia 470 OHM ¼ W 20 3 60
11 Resistencia 10 K ¼ W 20 5 100
12 Módulo XBEE PRO SERIE 2 con antena de alambre
95500 1 95500
13 Diodo LED (Blanco, Azul, Verde) 285 3 885
14 Base para configuración de los modulos XBEE
45000 1 45000
15 Conector 4 pines 95 1 95
16 Caja para ensamble 8.5x5.5x3 cm 1050 1 1050
17 Circuito impreso 10000 1 10000
18 Base XBEE DIP 9000 1 9000
19 Sensor SHT 71 110200 4 440800
20 Pila NiMh 3.6V 9000 1 9000
Total 620880
Fuente: Autor, cotización
http://www.suconel.com/t_suconel/canasta.asp?estado=adicionar&cod_product=1
8944
http://www.sigmaelectronica.net/shopping_cart.php
158
Para un galpón con 120 dispositivos terminales como se plantea en el documento
el presupuesto total seria el siguiente
RED con 120 nodos
Num. Descripción Cant. Subtotal $.
1 Nodo coordinador 1 162080
2 Nodo ruteador 1 136330
3 Nodo terminal 120 74505600
Total 74804010
Fuente: Autor.
Se debe tener en cuenta que estos precios son por unidad, al hacer un
presupuesto con precios al mayoreo los costos deberían bajar considerablemente.
En el presupuesto solo se incluye el costo de la red sin tener en cuenta otros
cobros como instalación, transporte, mano de obra, entre muchos otros.
159
ANEXO 9.
DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL DEL PROYECTO.
Diagrama de bloques general
Sincronización de la red
Nodo Posición 1
Sensado de las variables
Envió de los datos de manera inalámbrica
Nodo Posición 2
Sensado de las variables
Envió de los datos de manera inalámbrica
Recepción de los datos Nodo Coordinador
Procesamiento de las señales en
Labview
Visualización de la temperatura y
humedad
Tabulación de los datos