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Automatización de estanques para cría de especies acuáticas, fase 2: Monitoreo de nivel, pH y temperatura
Octavio A. García-Alarcón, Miguel Castro-Licona, Manuel González-Delgado, Daniel Uresti-Morales, Luis E. Vázquez-López, Jafet Eligio Hipólito, José A. Cobos-Torrecilla.
Instituto Tecnológico Superior de Cosamaloapan/ ITSCO
Av. Tecnológico S/N Col. Los Ángeles, C.P. 95400, Cosamaloapan -Veracruz, México
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RESUMEN
Este artículo presenta la instrumentación del monitoreo de variables en dos estanques, para su posterior uso en el análisis de la trazabilidad de la cría de especies acuáticas para consumo humano. El corazón del prototipo es una tarjeta de desarrollo Arduino y un conjunto de sensores para medir las siguientes variables: nivel, temperatura ambiente y temperatura del agua en diversas zonas de los estanques. Adicionalmente se usan módulos XBee para comunicación punto a multipunto entre los estanques, y un módulo GSM para comunicación con un servidor remoto, y se propone el sensor para la medición de pH del agua. Una computadora es usada para monitorear, registrar y mostrar los datos obtenidos, además de dispositivos SD como respaldos de los datos medidos. La interfaz gráfica es construida en LabVIEW. A futuro se planea visualizar los datos de los estanques enviados al servidor en una aplicación móvil. Los resultados experimentales presentados, corresponden a la segunda fase del proyecto, con el cual se planea monitorear y controlar otras variables importantes en la cría de especies acuícolas. El artículo con resultados de la primera fase fueron expuestos en el CIETA X del 2014 en la ciudad de Pamplona, Colombia.
PALABRAS CLAVE: instrumentación, trazabilidad, Arduino, estanques acuícolas.
INTRODUCCIÓN
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. La automatización constituye particularmente, uno de los aumentos de calidad y productividad en el mundo [1-2]. Sus principales objetivos son mejorar la productividad, las condiciones de trabajo del personal (si existe) y la disponibilidad de los productos. Por otro lado, los problemas de escasez de alimento y la falta de empresas sustentables que apoyen los sectores agropecuarios, son temas actuales de investigación.
Por otro lado, la necesidad de conocer la vida de productos de consumo es muy importante tanto para productores como consumidores pues esta información permite tener una idea sobre la calidad de un producto y si éste cumple con ciertos parámetros establecidos por normas, garantizando así que no perjudicaría nuestra salud al consumirlo.
Este proyecto propone la segunda fase en monitorización, automatización y control de variables físicas en estanques para la producción de peces u otras especies marinas de consumo humano y que sea de bajo costo, todo esto estudiado en [3,10]. Se busca monitorear y controlar diversas variables como temperatura, pH, oxígeno, amoniaco y otras, siendo específicamente en este artículo expuestos los resultados del monitoreo de nivel, temperatura exterior y temperatura en el estanque.
CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL ESTANQUE
El estanque donde se realiza la automatización se encuentra en el Instituto Tecnológico Superior de Cosamaloapan y su forma corresponde a una pirámide truncada (Figura 1). La ecuación que modela el sistema para el cálculo del volumen del estanque debido al cambio del área del rectángulo representado por el incremento o decremento del agua, está dada por la Ecuación (1)
V=h3A1+L M+A1+(L M) (1)
donde A1 es el área del rectángulo inferior, V el volumen total del estanque, h la altura y L y M las longitudes de los lados de los rectángulos de las secciones transversales del estanque. Con este modelo se puede medir el cambio del volumen al cambiar la altura h y de igual forma el cambio del área debido al incremento o decremento del nivel. En [3,10] se explican los detalles del modelado del estanque para el cálculo de volumen.
Figura 1. Medida de los estanques
INSTRUMENTACIÓN
El corazón de la instrumentación es un Arduino al cual se conectan los sensores para la medición de las variables. Para tomar y recopilar los datos con hora exacta se adicionó un shield de reloj de tiempo real y un shield SD para guardar la información. Además se emplea un módulo XBee para enviar la información de manera inalámbrica a una PC en la que se emplea otro módulo XBee para la recepción. Una aplicación hecha en LabVIEW sirve para recopilar y graficar los datos [3,10].
SENSOR ULTRASÓNICO PARA MEDIR NIVEL
El sensor utilizado para medir nivel es un sensor ultrasónico modelo HC-SR04 [4] el cual fue elegido por ser no invasivo al estanque (Figura 2). Se eligió este modelo de sensor debido a su precio bajo y buena precisión para medir distancias (tiene un alcance de 4 m).
Figura 2. Sensor ultrasónico HC-SR04
Este sensor contiene un emisor y un receptor de ondas de ultrasonido, y funciona a modo de sonar, de tal forma que el emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos y el receptor espera el eco de dicho tren de pulso en algún objeto. La distancia del sensor a la superficie del agua contenida en el estanque se calcula mediante:
Dcm=12 tseñal29.15 μs (2)
donde Dcm es la distancia entre el sensor y la superficie del agua, tseñal es el tiempo que la señal ultrasónica tarda en recorrer 1 cm, y es equivalente a 29.15 µs; la multiplicación por ½ se debe a que la señal recorre dos veces la distancia desde que es enviada por el emisor hasta que es recibida por el receptor [3,10].
SENSOR DE TEMPERATURA AMBIENTE
Debido a que la velocidad del sonido es función de la temperatura del medio por el que se propaga [5], se incorporó un sensor para medir la temperatura ambiente para compensar Dcm de la Ecuación (2).
El sensor utilizado para medir la temperatura ambiental es un LM35 (Figura 3), ya que éste no requiere de circuitos adicionales para calibrarlo externamente, posee una exactitud de ±14°C a temperatura ambiente y de ±34°C en el rango de -55°C a 150°C. Su baja impedancia de salida, salida lineal y precisa calibración inherente, simplifican la interfaz con el circuito de control [6].
El sensor de temperatura fue colocado en una estructura de PVC junto con el Arduino como se muestra en la Figura 6.
Figura 3. Sensor de temperatura LM35
Para ajustar la distancia medida entre el sensor y el nivel superior del agua en el estanque, se considera que por cada grado Celsius que aumenta la temperatura del aire, el tiempo que tarda el sonido en recorrer 1 cm se reduce en 0.05 μs. Este ajuste se incorpora a la Ecuación (2) con lo que se tiene:
t = t0 - 0.05 μs · T (3)
donde t es el tiempo, compensado en temperatura, desde que la onda ultrasónica es emitida hasta que es recibida, t0 es el tiempo que tarda el sonido en recorrer 1 cm (a 0°C), y T es la temperatura medida por el sensor LM35. Los 0.05 µs son calculados mediante la t0 y el tiempo, a 1°C.
Finalmente, la Dcm de la Ecuación (2) queda compensada mediante (3) quedando de la siguiente manera:
Dcm=12 tseñalt29.15 μs (4)
SENSORES DE TEMPERATURA EN ESTANQUES
El sensor de temperatura seleccionado para medir la temperatura en los estanques, es el sensor DS18B20 (Figura 4), cuya salida es una palabra digital con longitud configurable de 9 a 12 bits para ajuste de la resolución, el encapsulado es de sonda y puede ser sumergido en agua. Para transmitir el valor medido, el dispositivo emplea el protocolo OneWire [7].
Figura 4. Sensor de temperatura DS18B20
El protocolo puede admitir una cantidad virtualmente infinita de sensores, permitiendo la lectura de múltiples sensores empleando una sola terminal de la tarjeta Arduino, lo cual hace que las mediciones, el manejo de los datos y el diseño sean más prácticos.
Se realizaron mediciones de temperatura en diferentes puntos del estanque cada 20 cm con el fin de observar la dependencia de esta variable con la posición. Con las mediciones obtenidas se observó que la temperatura del agua varía sólo con la profundidad, así que se decidió colocar, en el centro del estanque, un conjunto de cinco sensores a 10, 30, 50, 70, 90 y 110 cm del fondo del estanque (Figura 6).
SENSOR DE PH
Para sensar el pH del agua en el estanque se propone emplear el sensor SEN-0055 (Figura 5) disponible en [8], éste es una sonda industrial que puede funcionar hasta un año de manera continua, posee una precisión de 0.1 pH a 25°C, incluye tarjeta de control para su conexión con Arduino (tres terminales), el rango de medición es de 0 a 14 pH y la temperatura de medición de 0 a 60°C.
Figura 5. Sensor de pH SEN-0055
COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
Para transmitir, de manera inalámbrica, los datos sensados hasta una PC ubicada en el laboratorio de electrónica del ITSCO a 70 metros del estanque, se empleó el modelo XBee PRO S2B (Figura 6). Este dispositivo tiene un alcance hasta de 90 metros en ambientes cerrados/urbanos y de hasta 1500 m en exteriores, y prácticamente no se ve afectado por interferencia durante la transmisión, lo que garantiza la correcta comunicación [9].
Para montar el XBee en el Arduino se utilizó un shield SD, que permite alojar al XBee y conectar una memoria micro-SD en la tarjeta de desarrollo; esta memoria se encarga de almacenar localmente los datos sensados.
Figura 6. Módulo de comunicación inalámbrica XBee PRO S2B
Los dispositivos se colocaron en una estructura de PVC junto con el Arduino como se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Diagrama de instalación de estructura para sensores y arduino
VISUALIZACIÓN Y GRAFICADO DE DATOS EN UNA PC
Para el monitoreo de las variables enviadas desde el Arduino hacia la PC (nivel del agua y el volumen del estanque, se realizó en un instrumento virtual en LabVIEW [3,10].
Para obtener los datos que son enviados del Arduino a través del XBee, se utilizó el bloque visa serial. Además de almacenar los datos en la micro-SD, éstos son guardados, con extensión .xls, en la PC y graficados en un instrumento virtual. El panel frontal de la aplicación es mostrado en la Figura 7.
Figura 7. Pantalla de la interfaz en LabVIEW
A continuación se muestran las gráficas de los mues treos de nivel compensado, temperatura ambiente y la temperatura del agua, en cinco puntos, contenida en el estanque. Como puede observarse por su naturaleza analógica de los sensores y la compensación, las gráficas de nivel y de temperatura ambiente respectivamente tienen más oscilaciones y movimiento en amplitud aunque los valores de los muestreos están dentro de los parámetros esperados debido a las perturbaciones por el movimiento del agua y la precisión de los dispositivos usados (Figura 8 y Figura 9).
Por otro lado, los datos muestreados en los sensores digitales ubicados dentro del estanque, a cualquier profundidad, muestran pequeñas variaciones de temperatura dentro del agua, en la Figura 10 se muestra el valor sensado de la temperatura a 110 cm de profundidad.
Figura 8. Muestreo de nivel
Figura 9. Muestreo de temperatura ambiente
Figura 10. Muestreo de temperatura en el estanque
CONCLUSIONES
Se presenta la automatización para monitoreo de nivel, temperatura ambiente y temperatura del agua contenida en un estanque para su posterior uso en el análisis de la trazabilidad y cría de especies acuáticas de consumo humano. El corazón del prototipo es un Arduino y un conjunto de sensores para medir las siguientes variables: nivel, temperatura ambiente y temperatura del agua en diversas zonas de los estanques. Adicionalmente se usan punto a multipunto entre los estanques, y un módulo GSM para comunicación módulos XBee para comunicación con un servidor remoto. Una computadora es usada para monitorear, registrar y mostrar los datos obtenidos, además de dispositivos SD como respaldos de los datos medidos. La interfaz gráfica es construida en LabVIEW. Cabe mencionar que el presente proyecto es la segunda etapa para la automatización del estanque para la cría de especies acuáticas, contribuyendo así para las siguientes fases donde se anexarán sensores de pH, oxígeno y amoniaco para poder aplicar control a alguna de estas variables en el estudio de las especies a criar en el estanque. De manera paralela se están realizando aplicaciones para poder visualizar los datos en dispositivos móviles donde los datos consumidos serán provistos desde la nube vía la aplicación en LabVIEW.
REFERENCIAS
Libro: [1] Smith C, Coripio A. Control Automático de Procesos Teoría y Práctica, Editorial Limusa – John Wiley & Sons, México 1991.
Libro: [2] Pallás R. Sensores y acondicionadores de señal, 4ta ed. Marcombo, México, 2004.
Tesis: [3] Aguirre E, Rosas J. M. Automatización de estanque para la crías de peces fase #1, Tesis de Licenciatura, Instituto Tecnológico Superior de Cosamaloapan. Octubre 2014.
Sitio Web: [4] Ultrasonic Ranging Module HC - SR04. Disponible en: http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf (Consultado en: Ago 20, 2015).
Sitio Web: [5] Variación de la velocidad del sonido con la temperatura. Disponible en: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/ondas/acustica/sonido/sonido1.html (Consultado en: Ago 20, 2015).
Sitio Web: [6] LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. Disponible en: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf (Consultado en: Ago 20, 2015).
Sitio Web: [7] DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer. Disponible en: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf (Consultado en: Ago 20, 2015).
Sitio Web: [8] Sensor analógico de pH (Profesional). Disponible en: http://tienda.bricogeek.com/otros/748-sensor-analogico-de-ph-profesional.html (Consultado en: Ago 20, 2015).
Sitio Web: [9] XBee®/XBee-PRO® ZB RF Modules. Disponible en: http://www.adafruit.com/datasheets/XBee%20ZB%20User%20Manual.pdf (Consultado en: Ago 20, 2015).
Artículo: [10] Aguirre E, Rosas J. M.,Francisco Javier Reyes Santamand, Octavio Augusto García Alarcón, Miguel Castro Licona. Automatización de estanque para la crías de peces fase #1, CIETA X, Pamplona, Colombia, 2014.
SOMI XXX Congreso de Instrumentación
Durango, Durango, México del 28-30 de octubre, 2015
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