MEWIN: UN NODO SENSOR INALÁMBRICO MULTI- … · Las redes cableadas implican la instalación de muchos metros de cable que pueden dañarse debido al uso de maquinaría agrícola

MEWIN: UN NODO SENSOR INALÁMBRICO MULTI-ENTORNO. VALIDACIÓN EN AGRICULTURA DE

PRECISIÓN J.A. López Riquelme, F. Soto Valles, R. Torres Sánchez, C. Albaladejo Pérez, J. Suardíaz Muro, H. Navarro

Hellín

DSIE, Universidad Politécnica de Cartagena, Campus Muralla del Mar s/n 30202 Cartagena [email protected]

Abstract — Actualmente, las redes de sensores

inalámbricas constituyen una tecnología prometedora en el campo de la agricultura de precisión, tal y como sostiene la literatura científica. El proceso de monitorización de un entorno agronómico exige la utilización de redes compuestas por diferentes tipos de dispositivos (gateways, nodos sensores y repetidores, entre otros). En este trabajo, se presenta el diseño, implementación y validación un nodo sensor inalámbrico multi-entorno basado en una arquitectura abierta con objeto de disminuir el número de elementos necesarios para configurar una red determinada y optimizar los costes de fabricación. Dicho nodo dispone de una placa base, con los componentes principales, sobre la que se pueden conectar las placas de interfaz para los diferentes sensores y/o actuadores necesarios. El dispositivo se ha diseñado en el marco de 3 proyectos de investigación, y actualmente se está validando en dos casos de estudio agronómicos, así como en uno oceanográfico.

I. INTRODUCCIÓN La agricultura de precisión (en adelante AP) [1] es

una técnica que se basa en el empleo de las tecnologías de la información y las comunicaciones para gestionar con mayor eficiencia los recursos hídricos y mejorar la productividad de los cultivos, entre otros objetivos. Para conseguir estos objetivos es necesario conocer el estado del suelo, del agua y de las plantas de un cultivo mediante el despliegue de sensores in-situ. Además, para controlar el riego y aplicar abonos es necesario actuar sobre un conjunto de electroválvulas.

Como en otros casos de estudio, la interconexión de los sensores y actuadores con los elementos de registro y tomas de decisiones se puede realizar de manera cableada o inalámbrica. Las redes cableadas implican la instalación de muchos metros de cable que pueden dañarse debido al uso de maquinaría agrícola pesada en el cultivo. Por otro lado, las redes inalámbricas eliminan los costes del cableado y el problema comentado anteriormente.

Por lo expuesto anteriormente, no es de extrañar que se identifique en la literatura científica a las Redes de Sensores Inalámbricas (WSN, Wireless Sensor Networks) [2] como una tecnología prometedora en el campo de la agricultura de precisión.

Durante estos últimos años se han implementado diversas aplicaciones de WSN en el campo de la AP.

Así se pueden encontrar diferentes referencias en la literatura. Camille et al. [3] demostraron la utilidad de una WSN en este campo a nivel de simulación. Pierce y Elliot [4] describieron el hardware y el software que desarrollaron, para redes de ámbito local y regional, así como sus implementaciones en dos aplicaciones de AP en el estado de Washington. Morais et al. [5] describieron un prototipo que desarrollaron, para ser desplegado en viñedos y formar parte de una WSN.

En el grupo de investigación División de Sistemas e Ingeniería Electrónica (DSIE) se está trabajando desde el año 2007 en el desarrollo de redes de sensores para agricultura de precisión. Las principales aportaciones de esta línea de investigación del DSIE han sido el diseño, implementación y validación de dos prototipos pre-comerciales de nodos sensores. Más información sobre estos trabajos se puede encontrar en [6].

Además de mantener la línea de investigación comentada anteriormente, desde el año 2009 se está trabajando en el diseño de redes de sensores para monitorizar entornos oceanográficos.

La experiencia en el diseño, implementación y validación de redes de sensores en entornos agrícolas, así como los nuevos requisitos tanto para entornos agrícolas, como para los entornos de monitorización oceanográficos, culminaron con la fabricación de una versión pre-comerial del nodo sensor inalámbrico multi-entorno (MEWiN, Multi Environmental Wireless Node) que se describe en este trabajo.

La plataforma MEWiN se ha diseñado con una arquitectura abierta constituida por una placa base y placas auxiliares. Esta arquitectura permite la conexión de placas de interfaz diseñadas a medida para el entorno que se desea monitorizar. Estas placas incluyen la electrónica de acondicionamiento necesaria entre los sensores y/o actuadores y las interfaces del micro-controlador. Para ello, ha sido necesario diseñar una PCB (placa base) con los elementos principales que debe tener cualquier nodo sensor, así como direccionar el conjunto de líneas del micro-controlador a dos conectores de expansión, de 16 pines cada uno. El diseño realizado también permite la conexión de otra placa auxiliar encima de otra ya conectada.

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El nodo sensor se ha diseñado en el marco de tres proyectos de investigación. En estos proyectos la principal tarea es proporcionar un sistema con el que monitorizar los parámetros de interés en entornos agrícolas y oceanográficos.

En este trabajo, se describe la plataforma MEWiN desarrollada y la validación de la misma en el marco del proyecto de investigación “Sistema para la Monitorización y Seguimiento de los Indicadores de Estado Hídrico Basado en Redes de Sensores Inalámbricas” (MOTE-FRUT en adelante). El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un sistema basado en redes de sensores, que permita la monitorización y seguimiento de una serie de indicadores biológicos del estrés hídrico en cultivos fundamentalmente leñosos (árboles frutales) con objeto de servir de soporte para el control de riego sobre este tipo de cultivo.

Tras esta introducción, en la sección 2 se describen las topologías que soporta la plataforma MEWiN. En la sección 3 se describirán los requisitos funcionales con los que se diseñó la plataforma. En la sección 4 se presenta el hardware desarrollado hasta la fecha, así como una breve descripción del software. Las pruebas realizadas sobre el mote para llevar a cabo su validación se presentan en la sección 5 y finalmente, en la sección 6 se expondrán las conclusiones y trabajos futuros.

II. TOPOLOGÍA DE LA RED

La plataforma MEWiN soporta los protocolos de comunicación definidos por la especificación ZigBee [7], que están construidos sobre la subcapa MAC (Medium Access Control) definida en el estándar IEEE 802.15.4 [8].

La Figura 1 muestra las topologías con las que se puede desplegar una red basada en los protocolos definidos por la especificación ZigBee. Como se puede observar en la figura, las redes ZigBee están constituidas por 3 tipos de dispositivos: Un coordinador de la red (Pan coordinator) y varios dispositivos finales (End Devices) y routers. Los routers permiten desplegar redes con una topología más compleja, como las redes en árbol (Tree) y las malladas (Mesh), y por tanto aumentar la escalabilidad de la red.

Fig. 1. Topologías de red soportadas por ZigBee

En relación con los alcances entre dispositivos, la plataforma MEWiN soporta alcances de unos 2km en condiciones favorables. Esto implica usar antenas omnidireccionales de 8dBi de ganancia y que exista visión directa entre ellas. Por otro lado, con condiciones más desfavorables (antenas de 2dBi y sin existir visión directa entre las antenas) se han conseguido alcances de 400m.

III. REQUISITOS FUNCIONALES

El objetivo que se plantea, es el desarrollo de un nodo sensor inalámbrico multi-entorno que permita llevar a cabo tareas de monitorización y actuación en aplicaciones de diversa índole.

Se propone un diseño basado en una arquitectura abierta, que está compuesta por una placa base sobre la que se conectan las placas de interfaz necesarias para la instrumentación necesaria en el caso de estudio.

La placa base externaliza en dos conectores de expansión, de 16 pines cada uno, las siguientes interfaces de entrada y salida: 8 entradas analógicas 0-2,5V, 2 salidas analógicas 0-2,5V, hasta 17 entradas/salidas digitales 0-3V y las interfaces digitales de entrada/salida de tipo UART, SPI e I2C.

En los conectores de expansión se pueden conectar placas de interfaz para la instrumentación seleccionada, así como periféricos que se conecten mediante buses digitales como el SPI.

Los elementos principales del MEWiN son el micro-controlador MSP430F2618, el transceptor de radio CC2520 y el amplificador de radio CC2591, todos ellos de Texas Instruments. El CC2591 permite conseguir alcances mayores que el CC2520, ya que proporciona una menor sensibilidad y una mayor potencia de transmisión.

La placa base dispone de los siguientes módulos principales: cargador de baterías de polímero de litio, slot para la conexión de una tarjea SD, un reloj de tipo real y una interfaz RS-232.

El diseño mecánico del dispositivo utilizado en aplicaciones de agricultura de precisión estará optimizado para ser utilizado en cultivos de tipo hortícola. Esto significa que el dispositivo se podrá instalar a nivel del suelo, que el producto final tiene que ser discreto para evitar su substracción y que por sus dimensiones no será necesario retirarlo cuando se fumigue el cultivo con maquinaría agrícola pesada. Por ello, la carcasa del mote tendrá un grado de protección IP67 y la altura (incluyendo la antena) no superará los 15cm. Aunque el diseño esté optimizado para cultivos de tipo hortícola, también podrá ser utilizado en otro tipo diferente de cultivos agronómicos, como los frutícolas, viñedos, etc.

Como se comentó en la sección anterior, el nodo soportará los protocolos de comunicación definidos en

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la especificación ZigBee. Para conseguir esto, la programación se llevará a cabo con la biblioteca Z-Stack que proporciona Texas Instruments. La programación con esta biblioteca permitirá desplegar redes de sensores con topologías sencillas (estrella) y topologías más complejas (árbol y malladas).

El nodo se alimentará con una batería Li-ION de 3,7V de tensión nominal. Con respecto a la capacidad, será de 4000mAh en un dispositivo final y de 5000mAh para un Router. Este último requiere una mayor capacidad porque su consumo medio es de unos 80mAh. Con respecto a la autonomía de un dispositivo final, será de al menos 10 semanas, que es el tiempo habitual de duración de un ciclo agronómico hortícola.

IV. DESCRIPCIÓN DEL MEWIN

En este apartado se describe la arquitectura del prototipo desarrollado. Se presenta la placa base y los trabajos que se están llevando a cabo en el desarrollo de las placas de interfaz para utilizar la plataforma en el proyecto de investigación MOTE-FRUT. Además, se realiza una breve descripción sobre el desarrollo del software que se lleva a cabo en este dispositivo.

A. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE

La Figura 2 describe a nivel de diagrama de bloques la plataforma MEWiN desarrollada. En ella se puede observar que la unidad de procesamiento del sistema es el micro-controlador de bajo consumo MSP430F2618 de Texas Instruments. El micro-controlador está conectado por bus SPI con el módulo de radio CC2520 del mismo fabricante. Para conseguir mayores alcances que con el CC2520 se utiliza el range extender CC2591.

La tensión de la batería se regula a 3V con un regulador de tensión lineal de bajo dropout y se monitoriza periódicamente mediante un convertidor analógico-digital del micro-controlador.

Las tareas de depuración y programación del dispositivo se realizan por interfaz JTAG. La interfaz RS-232 permite intercambiar datos con el nodo sensor. Además, ésta se puede utilizar en tareas de depuración.

El nodo sensor incluye un reloj de tiempo real (RTC, Real Time Clock) y una tarjeta de memoria SD. Estos elementos proporcionan redundancia al sistema, ya que todos los mensajes de datos y nivel de batería que se envían por radio se almacenan en la tarjeta SD. Las tramas que se almacenan incluyen la fecha y la hora en la que se realizó la lectura de los sensores y/o la batería.

La Figura 3 muestra la PCB con componentes SMD que se ha diseñado para la placa base del nodo MEWiN. En ella se pueden distinguir los elementos mencionados anteriormente, así como los 2 conectores de expansión de 16 pines para conectar las diferentes placas de interfaz con la instrumentación seleccionada.

Fig. 2. Diagrama de bloque de la plataforma MEWiN

Fig. 3. PCB de la placa MEWiN-Mainboard

Para validar el nodo sensor desarrollado antes de usarlo en el proyecto de investigación MOTE-FRUT, se desarrolló la placa de interfaz vegeboard (ver Figura 4), que permite la conexión de sensores Hydra Probe II (HP2) [6]. Con estos sensores se monitorizan los parámetros más importantes del suelo (temperatura, porcentaje volumétrico y conductividad eléctrica). Para conector estos sensores es necesario proporcionar un bus SDI-12 y un convertidor DC/DC de tipo elevador de 12V, para proporcionar alimentar a los sensores. En la Figura 5 se muestra el diagrama de bloques de esta placa. El diagrama de bloques se ha particularizado para los 2 sensores HP2 que se están utilizando en las pruebas de validación de la plataforma, a pesar de que se pueden conectar hasta 10 sensores en el bus SDI-12.

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Fig. 4. PCB de la placa de interfaz vegeboard

Fig. 5. Diagrama de bloques de la placa de interfaz vegeboard

Actualmente se está trabajando en el diseño de la placa de interfaz, que se ha denominado treeboard, que permita conectar la instrumentación necesaria del proyecto de investigación MOTE-FRUT. Como se comentó en la introducción, el objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema, basado en WSN, que permita la monitorización y seguimiento de una serie de indicadores biológicos del estrés hídrico en cultivos fundamentalmente leñosos (árboles frutales), con objeto de servir de soporte para el control de riego sobre este tipo de cultivo. Para ello, una alternativa sería sensorizar la planta con dendrómetros y termoradiómetros, y el suelo con tensiómetros y los sensores con denominación comercial Watermark, Hydra Probe II y Enviroscan. El diagrama de bloques de la placa de interfaz treeboard se muestra en la Figura 6.

La electrónica de interfaz con los dendrómetros (LVDT, Linear Variable Differential Transformer) está compuesta por un conjunto de amplificadores operacionales que adaptan las tensiones continuas con valores negativos y positivos provenientes del LVDT al rango de 0-2,5V requerido por el ADC.

La interfaz de los tensiómetros es de tipo 4-20mA. Para acondicionar esta salida con el ADC se utiliza una resistencia de 120Ω y un seguidor de tensión por cada canal.

El termoradiómetro proporciona 2 canales de salida termopar tipo K. Uno de ellos es la temperatura medida por infrarrojos del objeto sobre el que está instalado. El otro es la temperatura del cuerpo del sensor y se utiliza

para corregir la medida del objeto. Ambos canales están acondicionados con el circuito integrado para termopares tipo K AD597 y un amplificador operacional para amplificar la salida del anterior.

Los sensores de tipo Watermark consisten en una resistencia que varía su valor en función de la humedad del suelo en el que está instalado el sensor. El acondicionamiento de estos sensores está compuesto por un semipuente y un amplificador operacional.

La descripción de la interfaz SDI-12 se publicó en una edición anterior del SAAEI [6].

Fig. 6. Diagrama de bloques de la placa de interfaz treeboard

Para probar la electrónica de acondicionamiento diseñada para la instrumentación agronómica necesaria en el proyecto MOTE-FRUT se realizó la PCB que se muestra en la Figura 7. Se trata de un primer prototipo que permite conectar 2 dendrómetros, 2 tensiómetros, 2 sensores de tipo Watermark y 1 termoradiómetro con la placa base del nodo sensor desarrollado.

En este momento se está diseñando la PCB de la placa de interfaz treeboard, que permitirá la conexión de todos los sensores identificados en el diagrama de bloque de la Figura 6 con la plataforma MEWiN.

Fig. 7. Primer prototipo de la placa de interfaz treeboard

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B. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE

La programación del nodo se ha desarrollado usando la versión 2.2.2 de la Z-Stack. Este software lo ha desarrollado Texas Instruments y se puede descargar de manera gratuita para distintas plataformas, entre ellas la formada por el módulo de radio CC2520 y el micro-controlador MSP430F2618. Son una serie de bibliotecas escritas en lenguaje C que ofrecen soporte para la última versión del protocolo ZigBee (ZigBee PRO). Además de funciones para el manejo del protocolo, la Z-Stack proporciona otras interfaces de alto nivel para gestionar los recursos hardware del MSP430 como los timers, ADCs, etc. Para trabajar con este software el usuario tiene que definir el conjunto de eventos necesarios y señalarlos al sistema operativo para conseguir la funcionalidad deseada. En este caso, para gestionar los sensores HP2 con los que se está validando el sistema, se ha definido un evento y una función que ejecuta un switch con las diferentes operaciones secuenciales (activar la fuente de alimentación, esperar, enviar un break, enviar comando de lectura, leer la hora del RTC, enviar la lectura por radio, almacenar la lectura junto con la hora en la SD, etc.) que hay que realizar para leer datos de este sensor. En lo referente a la lectura del sensor, un timer periódico señala cuando hay que realizar la lectura. Como respuesta a una lectura del sensor, se envía el evento definido al sistema operativo con un pequeño delay. La ejecución del programa continúa en este evento que ejecuta la función para gestionar el sensor y el correspondiente switch, en concreto el case 0, que activa el convertidor CC/CC, incrementa una variable (para en la siguiente iteración entrar la case 1) y señala el evento del HP2 con un determinado retraso para asegurar que la salida del convertidor CC/CC esté en régimen permanente. En la siguiente entrada al switch se envía el break al sensor para que pase de estado de bajo consumo a modo activo, y así sucesivamente.

Por otro lado, se ha realizado un software de monitorización con el entorno de desarrollo C++ Builder XE de Embarcadero. La implementación actual realiza un log de las tramas recibidas de los nodos sensores y almacena los datos en ficheros de texto.

V. PRUEBAS REALIZADAS

El sistema MEWiN (mainboard-vegeboard) se está validando en una parcela experimental de 0,8ha de superficie, situada en la Estación Experimental Agroalimentaria ‘Tomás Ferro’ perteneciente a la ETSIA-UPCT en La Palma (Cartagena, Murcia). El sistema de riego es por goteo y consiste en un único lateral por hilera de árboles, con 6 emisores de 4l/h por árbol.

Para validar el sistema en condiciones reales de funcionamiento, se han desplegado a pie de cultivo 2

nodos sensores y un nodo Router. Además, en el interior de la oficina está instalado el coordinador de la red, que está conectado con el servidor por RS-232. Para asegurar una correcta comunicación entre los nodos sensores y este último, se ha instalado una antena omnidireccional de 14dBi de ganancia en la fachada de la oficina.

Cada nodo sensor tiene conectados 2 sensores HP2, localizados a 20cm de profundidad y a 2m del tronco del almendro. La Figura 8 muestra un nodo sensor desplegado en la parcela. En ella se puede observar la caja estanca comercial con grado de protección IP67 en la que proporciona estanqueidad al conjunto mainboard-vegeboard-batería, así como la antena omnidireccional de 2dBi de ganancia utilizada.

Fig. 8. Vista de un nodo sensor del sistema MEWiN utilizado en la validación del sistema

El nodo router está instalado en un mástil de 3 metros de altura en el que se encuentra la placa solar de la que se recarga éste, así como la antena de 8dBi a la que está conectado.

VI. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Se ha desarrollado un nodo sensor inalámbrico a

nivel de producto comercial, con la robustez necesaria para ser usado en un amplio abanico de entornos de estudio. El mote se puede utilizar en diferentes entornos de estudio, ya que la placa base externaliza un conjunto de interfaces de entrada y salida analógicas y digitales, que permiten utilizar el nodo con la instrumentación necesaria mediante el desarrollo de la placa de acondicionamiento necesaria.

Como trabajos futuros, se está validando el sistema MEWiN en una aplicación de agricultura de precisión. Además, se está trabajando en el diseño de la placa de

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interfaz necesaria para el proyecto de investigación MOTE-FRUT. Se espera, por tanto, disponer de resultados del proceso de validación y de las pruebas realizadas en el proyecto MOTE-FRUT antes de la presentación de dicho trabajo.

AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer a los proyectos MOTE-FRUT (08850/PI/08) y SICORI (08754/PI/08) de la Fundación Séneca de la Región de Murcia, a la CICYT EXPLORE (TIN2009-08572) del Ministerio de Educación y Ciencia de España y al proyecto “Monitorización Costera para el Mar Menor, CMS (463.01-08_CLUSTER)” del Plan de Ciencia y Tecnología de la Región de Murcia su apoyo para la realización de estos trabajos.

REFERENCIAS

[1] Zhang, N.,Wang, M., Wang N. 2002. Precision agriculture-a worldwide overview, Computers and Electronics in Agriculture 36, 113-132.

[2] Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., Cayirci, E., 2002. Wireless sensor networks: a survey, Computer Networks 38, 393-422.

[3] Camilli, A., Cugnasca, C. E.,Saraiva, A.M., Hirakawa, A.R., Corrêa, L.P., 2007. From wireless sensor to field mapping: Anatomy of an application for precision agriculture, Computers and Electronics in Agriculture 58, 25-36.

[4] Pierce, F.J., Elliot, T.V., 2008. Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington, Computers and Electronics in Agriculture 61, 32-43.

[5] Morais, R., Fernandes, M.A., Matos,S.G., Serodio, C., Ferreira, P.J.S.G., Reis, M.J.C.S., 2008. A ZigBee multi-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture, Computers and Electronics in Agriculture 62, 94-106.

[6] J.A. López Riquelme, F. Soto, C. Albaladejo, A. Iborra, J. Suardíaz. GAIA 2: un Mote Multifuncional para Agricultura de Precisión. Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación, Bilbao, 2010.

[7] Baronti, P., Pillai, P., Chook, V.W., Chessa, S., Gotta, A., Fu, Y.F., 2007. Wireless Sensor Networks: a survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. Comput. Commun. 30, 1655–1695.

[8] IEEE 802.15.4-2006. IEEE Standard for Information tecnology-Telecomunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks- Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). Print: ISBN 0-7381-4996-9.

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