Introducción
En la actualidad, mundialmente se utilizan diferentes métodos de monitoreo mediante redes de sensores [1,2], muchos de los cuales tienen aplicaciones para el control [3] y predicción de eventos [4], destacando los mismos por su implementación a traves de microcontroladores de bajo costo.
Un requerimiento de la Norma ISO 17025 es el registro de las condiciones ambientales del laboratorio donde se llevan a cabo los ensayos de análisis. Los laboratorios de Técnicas Analíticas del IPEN cuentan con sensores analógicos de temperatura y humedad ambiental, que registran de forma manual cada uno de estos parámetros, siendo ésta una tarea que consume tiempo del analista y es susceptible al error humano, además solo posibilita realizar un limitado número de mediciones por día y no permite el registro los días no laborables, también no admite el registro directo de la información en una base de datos.
Debido a la creciente aplicación de sistemas automatizados en los laboratorios de análisis químicos se implementó un sistema automatizado de monitoreo de las condiciones ambientales, que permita el registro directo de la información en una computadora central, considerando que se viene desarrollando una red controladora de porcesos en dichos laboratorios [5].
En este trabajo presentamos los procedimientos para elaborar un conjunto de dispositivos que conforman una red inalámbrica de monitoreo de los parámetros como temperatura y humedad relativa, los cuales, en conjunto, conforman una red que usa topología Mesh [6], haciendo uso de algunos de ellos como clusters [7]. Para la elección de los sensores tomamos en cuenta los requisitos de la World Metereological Organization (WMO) teniendo una resolución de 0.1 celcius para la temperatura y 0.1 % para la humedad [8]. Estos parámetros son cumplidos por el sensor DHT22 [9].
Experimental
El desarrollo de la red de comunicación se realizó mediante microcontroladores de 8 bits, además de dispositivos transceiver para la transimisión y recepción de datos. La información adquirida fue almacenada dentro de una memoria micro SD conteniendo la hora y fecha obtenida atraves de un reloj en tiempo real (Real Time Clock).
El procedimiento contempla el diseño del software y los materiales necesarios para el desarrollo de la red inalámbrica de sensores.
En la Figura 1 se presenta el diagrama de flujo que describe el comportamiento de toda la red, en ella podemos ver que se realiza una validación previa de los datos obtenidos, antes de pasar a la etapa de transmisión de los mismos; luego, el nodo central recoje los datos para almacenarlos con una estampa de tiempo en formato de tablas para que sean postprocesados.
Figura 1. Diagrama de flujo del comportamiento de la red.
Figura 2. Captura de pantalla de programa XCTU.
Materiales
Descripción de la red
La red implementada es del tipo mesh, en la cual los nodos intermedios actúan como repetidores (Figura 3). Está compuesta por un conjunto de 3 nodos, 2 Router/End Device y un Coordinator, ubicadas cada uno en una sala distante una de la otra. En el proceso de diseño se ha considerado diferentes etapas por nodo (Figuras 4 y 5).
Figura 3. Topología de la red [10].
La Figura 4 muestra las etapas para el caso de los nodos Router/End Device, mientras que la Figura 5 muestra las etapas para el caso del nodo Coordinator.
Figura 4. Etapas de los nodos Router/End Device.
Figura 5. Etapas del nodo Coordinator
Hardware utilizado
Sensor DHT22: Sensor digital que nos otorga los valores de temperatura y humedad ambiental con alta precisión y con amplio rango (Figura 6).
Arduino UNO: Módulo de programación que cuenta con el microcontrolador ATmega328P de 8 bits a 16MHz.
Shield RTC – SD: Placa compatible con el módulo Arduino que cuenta con un Real Time Clock que se comunica por el bus I2C y una interfaz para memoria SD comunicada mediante el bus SPI.
Shield Xbee: Placa compatible para comunicación entre el microcontrolador y el transceiver mediante comunicación serial UART.
Figura 6. Sensor DHT22.
todos los nodos de la red mediante impresión 3D (Figura 7).
Asímismo, con el archivo obtenido en formato de tablas (CSV) se hace uso de una hoja de cálculo para generar una gráfica (Figura 8) que permite visualizar el comportamiento de la temperatura (línea roja) y humedad relativa (línea azul) de una de las salas del laboratorio a lo largo de alrededor de 1171 segundos, en ella se observa que la temperatura tiende a ser un valor estable a lo largo del tiempo a diferencia de la humedad que tiende a tener cambios bruscos en sus valores.
Figura 7. Nodo dentro del Case 3D.
Resultados y discusión
En la Figura 1 se puede apreciar el funcionamiento de la red que se inicia con una validación previa de los datos obtenidos, antes de pasar a la etapa de transmisión de los mismos; luego, el nodo central recoje los datos para almacenarlos con una estampa de tiempo en formato de tablas para que sean postprocesados.
Los resultados de la prueba de registro automático de temperatura y humedad se muestran en la Tabla 1. Se han monitoreado dos laboratorios simultánemente y se puede observar que los datos obtenidos por el sistema desarrollado son consistentes con los datos medidos con los instrumentos clásicos dentro del laboratorio (Sala 1: T = 24 °C , H = 56 % y Sala 2: T = 24.2 °C y H = 54 %).
Las mediciones obtenidas con confirman el correcto desempeño de la red de sensores en el tiempo. Actualmente, el nodo coordinador es encendido mediante una fuente de alimentación y los nodos transmisores utilizan baterías de 12V para operar.
Tabla 1. Valores obtenidos de temperatura y humedad relativa para la Sala 1 y Sala 2, respectivamente en forma simultánea.
Fecha | Hora | Temperatura Sala 1 (°C) | Humedad Sala 1 (%) | Temperatura Sala 2 (°C) | Humedad Sala 2 (%) | |
1 | 14/10/2015 | 10:29:31 | 23.9 | 56 | 24.3 | 54 |
2 | 14/10/2015 | 10:29:32 | 23.9 | 56 | 24.3 | 54 |
3 | 14/10/2015 | 10:29:33 | 23.8 | 56 | 24.3 | 54 |
4 | 14/10/2015 | 10:29:35 | 23.8 | 56 | 24.1 | 54 |
5 | 14/10/2015 | 10:29:36 | 23.8 | 56 | 24.1 | 54 |
6 | 14/10/2015 | 10:29:41 | 23.8 | 56 | 24.3 | 54 |
14/10/2015 | 10:29:42 | 23.8 | 56 | 24.3 | 54 | |
8 | 14/10/2015 | 10:29:43 | 23.8 | 56 | 24.1 | 55 |
9 | 14/10/2015 | 10:29:44 | 23.8 | 56 | 24.1 | 55 |
Figura 8. Comportamiento de la temperatura y humedad ambiental dentro de la Sala 2 en el rango de 0 a 70 (°C y % HR, respectivamente) en el transcurso de 1171 segundos.
Conclusiones
El sistema transmite satisfactoriamente los parámetros de temperatura y humedad ambiental a través de todos sus nodos, facilitando al personal el registro de las condiciones ambientales de los laboratorios en una memoria SD dentro de un formato de tablas para su procesamiento posterior, concluyendo así que, es posible desarrollar e implementar este tipo de redes dentro de los laboratorios del IPEN.
Adicionalmente, es posible obtener una gráfica del registro realizado por el monitor automático de ambiente, de tal forma que nos permita mostrar la variabilidad de los datos en un rango de variación prefijado y de acuerdo con el requerimiento establecido por el laboratorio.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo brindado por el Bachiller Renzo Chan para la realización de las pruebas finales de la red.