IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6433/1... ·...
86
IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALAMBRICOS LPWAN MEDIANTE MODULOS LoRa PARA EL MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AGUA EN 2 RIOS. CRISTIAN YAMITH BURBANO ORDOÑEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTA D.C. 2017
Transcript of IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6433/1... ·...
IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES
INALAMBRICOS LPWAN MEDIANTE MODULOS LoRa
PARA EL MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AGUA EN 2
RIOS.
CRISTIAN YAMITH BURBANO ORDOÑEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2017
IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALAMBRICOS LPWAN
MEDIANTE MODULOS LoRa PARA EL MONITOREO DE LA CALIDAD DEL
AGUA EN 2 RIOS.
Tesis de ingeniería electrónica presentada por:
CRISTIAN YAMITH BURBANO ORDOÑEZ
Trabajo de grado en la modalidad de MONOGRAFÍA para optar por el título de:
Ingeniero Electrónico
Director:
Ing. Julián Rolando Camargo López
Docente Facultad Ingeniería - Universidad Distrital
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2017
III
IV
Agradecimientos
Quiero expresar unos sinceros agradecimientos a mi familia las cuales son las personas que
me impulsan a cumplir mis metas, a mis padres que me han apoyado e impulsado en todo
momento, a mis hermanos por su apoyo incondicional y su acompañamiento, A mis amigos
por darme ánimos.
Agradezco a mi director Julián R. Camargo por su apoyo en la realización de este proyecto
y al grupo LASER de la Universidad Distrital por brindarme algunas herramientas.
Finalmente Agradezco a los profesores de la universidad Distrital Francisco José de Caldas
por su guía y apoyo a lo largo de este proceso.
V
Resumen En este documento se muestra el diseño y la implementación de una red de sensores
inalámbricos para medir parámetros de calidad del agua en dos ríos, empleando elementos
de bajo costo.
Se emplean módulos LoRa™ para la comunicación entre nodos, la cual es una tecnología
surgida con el auge que ha tenido las WSN (redes de sensores inalámbricos), el IoT (Internet
de las Cosas y el M2M. Los módulos LoRa tienen grandes características por su bajo
consumo de energía teniendo en cuenta la distancias que logra abarcar y su bajo costo, razón
que los hacen una tecnología adecuada para cumplir con los propósitos del proyecto.
Se construyen 2 nodos sensores los cuales monitorean los siguientes parámetros:
Conductividad eléctrica, pH, Temperatura. Por lo que se hace la adquisición, diseño y
construcción de los sensores y los circuitos de acondicionamiento. También se realizara un
nodo receptor que estará conectado a un computador y mostrará los datos mediante una
interfaz gráfica realizada en Java.
Palabras Clave: LoRa, Red de Sensores inalámbricos, Calidad del Agua, Java, pH,
Conductividad, Nodo Sensor, Nodo Receptor.
VI
Abstract
In this document is shown the design and the implementation of a Wireless sensors network
to measure water quality parameters in rivers using low budget components.
Modules LoRa™ are employed for the communication between nodes, which is a technology
arised with the boom that the WSN (wireless sensors networks) have had, the IoT (Internet
of things) and the M2M. The LoRa modules have great features because of their low energy
consumption having in mind the big distances that they reach and their low cost, reason for
which they are the adequate technology to accomplish the purposes of the project.
Two modules are built to sense the following parameters: electric conductivity, pH,
Temperature. Therefore the acquisition, desing and construction of the conditioning circuits
is made. A receptor node is also made which will be connected to a computer and will display
the data through a graphic interface programed in java
Key words. LoRa, Wireless sensors networks, Water quality, Java, pH, Conductivity, Sensor
Node, Receptor Node
VII
Contenido
Agradecimientos ......................................................................................................................... IV
Resumen ....................................................................................................................................... V
Abstract ....................................................................................................................................... VI
Lista de Figuras........................................................................................................................... IX
Lista de Tablas ............................................................................................................................ XI
Introducción ................................................................................................................................. 1
1. Justificación .......................................................................................................................... 2
1.1 Justificación Ambiental .................................................................................................. 2
1.2 Justificación Técnica ...................................................................................................... 2
1.3 Justificación Económica ................................................................................................. 2
1.4 Justificación Social ......................................................................................................... 2
1.5 Justificación académica .................................................................................................. 2
2. Antecedentes ......................................................................................................................... 3
3. Objetivos ............................................................................................................................... 4
3.1 Objetivo General ............................................................................................................ 4
3.2 Objetivos Específicos ..................................................................................................... 4
4. Marco Teórico ...................................................................................................................... 5
4.1 PARAMETROS DE CALIDAD DEL AGUA: ............................................................ 5
4.1.1 Parámetros Físicos: ................................................................................................. 5
4.1.2 Parámetros Químicos [12]: ...................................................................................... 7
4.1.3 Parámetros Biológicos:............................................................................................ 8
4.1.4 Parámetros Radiológicos: ........................................................................................ 8
4.2 RED DE SENSORES INALAMBRICOS: ................................................................... 9
4.2.1 RADIO ................................................................................................................. 10
4.2.2 Tecnología LoRa:.................................................................................................. 10
4.2.2.1 Modulación LoRa ............................................................................................. 10
4.2.2.2 Protocolo LoRaWAN ™ ................................................................................... 11
4.2.2.2.1 Seguridad LoRaWan: [17] .............................................................................. 12
4.2.2.2.2 Clasificación de los dispositivos LoRa [17] .................................................... 12
4.2.2.2.3 Activación de un nodo: [17] ............................................................................ 14
VIII
4.2.3 Batería: [19] ................................................................................................................ 15
4.2.4 Microcontrolador ......................................................................................................... 17
4.2.5 Interfaz Sensor y Circuitos análogos...................................................................... 18
4.2.5.1 SENSOR DE TEMPERATURA: .......................................................................... 19
4.2.5.2 MEDICION DE LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA (EC):.............................. 20
4.2.5.3 SENSOR PH:........................................................................................................ 26
5 Metodología ........................................................................................................................ 28
6 Desarrollo de la Propuesta ................................................................................................. 29
6.1 Pruebas Iniciales con los módulos de comunicación .................................................. 29
6.1.1 Caracterizando los módulos LoRa: ........................................................................ 29
6.1.2 Elección de la antena de comunicación ........................................................................ 31
6.2 Diseño del Nodo Sensor .............................................................................................. 33
6.2.1 Construcción del Sensor de Conductividad: ............................................................. 34
6.2.1.1 Diseño de la Celda: ............................................................................................... 34
6.2.1.2 Circuito de medición de Conductividad. ................................................................ 35
6.2.2 Construcción del sensor de pH: .......................................................................... 41
6.2.2.1 Caracterización del Sensor de pH: ......................................................................... 42
6.2.2.2 Acondicionamiento del Sensor de pH: ................................................................... 43
6.2.3 Alimentación del Nodo Sensor:........................................................................... 46
6.2.3.1 Elección de la Batería ........................................................................................ 46
6.2.3.2 Regulador escogido ........................................................................................... 46
6.2.4 Diseño del nodo sensor ........................................................................................ 47
6.2.5 Diseño del armazón ............................................................................................. 50
6.2.6 Código del nodo Sensor ....................................................................................... 50
6.3 Diseño del Nodo Receptor: ......................................................................................... 54
6.3.1 Conversor serial a USB:............................................................................................... 54
6.3.2 Carcasa del nodo Receptor: ................................................................................... 55
6.4.2 Programa del nodo Receptor: ....................................................................................... 55
7 Pruebas de Campo ............................................................................................................. 57
8 Manual del usuario. ............................................................................................................ 59
9 Conclusiones ....................................................................................................................... 71
10 Trabajos a Futuro .......................................................................................................... 72
11 Referencias ...................................................................................................................... 73
IX
Lista de Figuras Figura 1.Componentes de WSN Gateway y nodos distribuidos. [15] ............................................. 9
Figura 2. Componentes de un sensor de nodo WSN [15]. ............................................................ 10
Figura 3. Flujo de Datos LoRaWAN. [18] ................................................................................... 12
Figura 4. Acceso al medio en clase A de LoRaWAN. .................................................................. 13
Figura 5.Acceso al medio en clase B LoraWAN. ......................................................................... 14
Figura 6. Acceso al medio en clase C LoraWAN ......................................................................... 14
Figura 7. Microcontrolador MSP430F5529 [20] .......................................................................... 17
Figura 8.Sensor de temperatura DS18B20. .................................................................................. 19
Figura 9. Bloques que componen al DS18B20 [21]. .................................................................... 19
Figura 10. Celda de conductividad. ............................................................................................. 21
Figura 11. Circuito equivalente de la conductancia de una sustancia. [22] .................................... 22
Figura 12. Líneas de campo en una celda de dos polos ................................................................ 23
Figura 13. Celda de 4 polos. ........................................................................................................ 23
Figura 14. Puente Weasthone ...................................................................................................... 24
Figura 15. Circuito de ganancia Realimentada ............................................................................. 24
Figura 16. Electrodos de pH. ....................................................................................................... 26
Figura 17. Error del electrodo pH dependiendo de la temperatura. [23] ....................................... 27
Figura 18. RN2903 [24] .............................................................................................................. 29
Figura 19. PCB del RN2903........................................................................................................ 31
Figura 20. Antena 918Mhz .......................................................................................................... 31
Figura 21. Diagrama Polar de dispersión de la antena .................................................................. 32
Figura 22. Resultado obtenido en los respectivos terminales. ....................................................... 33
Figura 23. Diagrama de bloques de los elementos que componen al NODO SENSOR. ................ 34
Figura 24. Celdas construidas para la medición de conductividad ................................................ 35
Figura 25. Circuito de medición de conductividad. ...................................................................... 35
Figura 26. Tierra Virtual VGD ..................................................................................................... 36
Figura 27. Visualización en el terminal ....................................................................................... 38
Figura 28. Salida del conductímetro ............................................................................................. 39
Figura 29. Respuesta del conductímetro ...................................................................................... 41
Figura 30. pH-metro de bolsillo marca Kelilong .......................................................................... 42
Figura 31. Amplificador no inversor de ganancia 11 .................................................................... 42
Figura 32. Respuesta sensor pH amplificado por 11..................................................................... 43
X
Figura 33. Compensación de Offset............................................................................................. 44
Figura 34. Amplificador inversor en la última etapa. ................................................................... 45
Figura 35. Circuito de acondicionamiento completo del sensor de pH. ......................................... 45
Figura 36. Salida del Acondicionamiento del sensor de pH.......................................................... 45
Figura 37. Batería UltraFire BRC 18650 3.7V ............................................................................. 46
Figura 38. Modo de operación Fijo MIC5205 con ruido ultra bajo ............................................... 47
Figura 39. Circuito de alimentación del nodo Sensor ................................................................... 47
Figura 40. Esquemático del acondicionamiento ........................................................................... 48
Figura 41 Esquemático: Micro y Regulador................................................................................. 48
Figura 42. Diseño de las placas del nodo sensor .......................................................................... 49
Figura 43. Circuito del nodo Sensor ............................................................................................ 49
Figura 44. Nodo Sensor............................................................................................................... 50
Figura 45. Diagrama de flujo del programa principal ................................................................... 53
Figura 46. Diagrama de Flujo de la interrupción del RTC ............................................................ 54
Figura 47. Conversor USB a Serial CP2102 ................................................................................ 55
Figura 48. Carcasa del Nodo Sensor ............................................................................................ 55
Figura 49. Hilo en Java. .............................................................................................................. 56
Figura 50. GUI del programa en Java .......................................................................................... 56
Figura 51. Distancia nodo sensor - nodo receptor ........................................................................ 57
Figura 52. Nodo Sensor en Rio Arzobispo................................................................................... 57
Figura 53. Temperatura rio Arzobispo ......................................................................................... 58
Figura 54. Conductividad rio arzobispo ....................................................................................... 58
Figura 55. pH rio arzobispo ......................................................................................................... 58
XI
Lista de Tablas
Tabla 1. Tipos de baterías. ........................................................................................................... 16
Tabla 2. Características de los tipos de baterías. [19] ................................................................... 16
Tabla 3. Características MSP430F5529. ...................................................................................... 18
Tabla 4. Modos de operación MSP430F5529 .............................................................................. 18
Tabla 5. Característica de la sonda DS18B20. [21] ...................................................................... 20
Tabla 6. Especificaciones del módulo RN2903 [24]..................................................................... 29
Tabla 7. Consumo de corriente en estado de transmisión del RN2903. [24].................................. 30
Tabla 8. Características de la antena escogida. ............................................................................. 32
Tabla 9. Distancias alcanzadas con los módulos RN2903 ............................................................ 33
Tabla 10. Características OPA2316-Q1 ....................................................................................... 36
Tabla 11. Voltaje Drop-Out MIC5205-3V3. ................................................................................ 46
Tabla 12. Direcciones de memoria del uC MSP430F5529. .......................................................... 51
Tabla 13. Primero 4 bytes guardados por recolección de datos ..................................................... 52
Tabla 14. Segundo Long Word guardado de la recolección de datos. ........................................... 52
1
Introducción
Poco a poco la humanidad se ha dado cuenta de que el agua no es un recurso inagotable, que
ciertas acciones han afectado, acabado o inhabilitado este recurso para el consumo de manera
drástica debido al crecimiento de la población humana, la expansión de la actividad industrial
y agrícola y la amenaza del cambio climático como lo afirman las naciones unidas [1]. Fuera
de ello el agua ha sido el origen de muchas enfermedades infecciosas por ello es importante
tener un control sobre ella. El deterioro de la calidad del agua se ha convertido en motivo de
preocupación a nivel mundial.
Monitorear los parámetros de la calidad del agua como lo es el pH (potencial de hidrogeno),
CE (conductividad eléctrica), y la temperatura se ha vuelto un proceso imprescindible para
que con base en la medida de estos y otros parámetros se puedan tomar decisiones correctas
respecto al control del agua.
Medir la conductividad eléctrica del agua permite determinar de manera indirecta los sólidos
totales disueltos o sales disueltas. Aunque la salinidad en el agua no es un estándar primario
y por sí sola no es motivo de daños en la salud, el uso de estas aguas puede presentar
inconvenientes en su empleo, puede causar desordenes estomacales en las personas que la
ingieren y dañar accesorios de baño y cocina e incluso dañar la tubería que transporta el agua.
Si la salinidad es muy alta ya no es conveniente su consumo sin un tratamiento previo [2].
Medir el pH, da información sobre la acidez o alcalinidad del agua, que nos permite saber si
el agua es corrosiva o incrustante. La temperatura también es un parámetro importante para
medir. La contaminación térmica puede causar trastornos en sistemas acuáticos. Si la
temperatura aumenta disminuye la concentración de oxígeno disuelto (OD), si este es
deficiente puede ocasionar la muerte de especies acuáticas. El oxígeno es un elemento
necesario para todas las formas de vida [2].
Realizar módulos que permiten el monitoreo de estos parámetros de manera inalámbrica
permiten que el personal no tenga que trasladarse a los lugares para obtener estas muestras y
así poder realizar trazos históricos de los resultados obtenidos.
Problema de investigación: ¿Es posible realizar un dispositivo que permita monitorear los
parámetros de calidad del agua, teniendo en cuenta módulos inalámbricos de baja potencia,
red amplia y de bajo costo?
2
1. Justificación
1.1 Justificación Ambiental
Con la minería ilegal, la agricultura y la expansión de la actividad industrial, los ríos
colombianos han sido contaminados en gran medida. Realizar el dispositivo
propuesto, permitiría un mayor control en estos ríos, Asegurando que los parámetros
del agua sean los necesarios para preservar el ecosistema y de no ser así, tomar
medidas que los preserven.
1.2 Justificación Técnica
Realizar los dispositivos inalámbricos permite que el personal no tenga que
desplazarse para tomar estas medidas.
Mantener estos dispositivos en el lugar permite realizar trazos históricos del lugar.
Si varios de estos dispositivos se encuentran en el rio a medir, se lograría establecer
los lugares del rio más contaminados.
1.3 Justificación Económica
Hacer que el personal no tenga que trasladarse al lugar constantemente, que los
dispositivos sean de baja potencia y los elementos utilizados sean de bajo costo,
reducen el costo del dispositivo en gran medida y el costo de la operación a realizar.
1.4 Justificación Social
Medir los parámetros y con base a ellos establecer el debido control, permite el
cuidado del hábitat, la potabilidad del agua y la reducción de infecciones precedentes
del agua contaminada. Estos factores ayudan a preservar la salud de la sociedad.
1.5 Justificación académica
Para la implementación de este dispositivo se necesita conocimientos sobre
instrumentación, uso de sensores, de comunicación y de sistemas digitales para que
el dispositivo funcione de la manera más adecuada y eficiente.
3
2. Antecedentes Al ser LoRa una tecnología relativamente nueva, pocas aplicaciones se han desarrollado en
el mundo y mucho menos en Latinoamérica, Las siguientes aplicaciones tienen que ver con
el monitoreo de los parámetros de calidad del agua, muchas de estas aplicaciones se han
realizado mediante los módulos de comunicación ZigBee.
Por ejemplo “Wireless sensor network for river water quality monitoring in India” [3]
implementan una red de sensores inalámbricos mediante ZigBee para el monitoreo de PH en
un rio. En el artículo “Water Quality Monitoring System Using ZigBee Base Wireless Sensor
Network” [4], monitorean los parámetros de calidad del agua realizando mediciones de
potencia y en enlace de calidad del nodo sensor usando ZigBee. En el “The Water Quality
Monitonring System Based on WSN” donde implementan diferentes sensores de calidad del
agua y un RTS para el control de bajo consumo. [5] En el (2014) En el tercer congreso de telecomunicaciones Telcon-Uni se presentó una red de
sensores inalámbricos para la medición de parámetros de calidad del agua usada en la crianza
de peses amazónicos bajo el estándar IEEE 802.15.4 (ZigBee). [6] En el cual se implementa
una red de sensores de calidad del agua, utilizando un mecanismo de control de energía de
nodo sensor, e implementando celdas solares.
Estos artículos nos permitirán comparar la diferencia entre el uso de ZigBee y la tecnología
LoRa en temas respecto al consumo de potencia, rango, costo y eficiencia. También
encontramos artículos donde se caracteriza la tecnología LoRa:
“On the Coverage of LPWANs: Range Evaluation and Channel Attenuation Model for LoRa
Technology” [7] donde estudian el rango y la cobertura de la tecnologia LoRa LPWAN en
Finlandia, Oulu, operando a una frecuencia de 868MHz de la banda de ISM. “A benchmark survey of Long Range (LoRa) Spread-Spectrum-Communication at 2.45GHz
for safety applications.” [8] Donde no solo realizan pruebas de la cobertura sino que también
ponen a prueba el protocolo LoRa para aplicaciones de seguridad. Como se mencionó anteriormente la tecnología LoRa es relativamente nueva por lo que se
encuentran pocas aplicaciones hasta el momento, sin embargo las pocas aplicaciones hechas
con esta tecnología han mostrado que esta tecnología ofrece grandes ventajas.
Una de las aplicaciones que se ha realizado con la tecnología LoRa la encontramos en el
artículo “inteliLIGHT LoRa® Streetlight Control Solution”, [9] Donde realizan un control
inteligente de las luces de las calles en Szada, Hungria, mediante un control ON/OFF
monitoreando el nivel de luz de los paneles, utilizando la tecnología LoRa para controlar
alrededor de 500 Luces, El experimento fue un éxito. La instalación del sistema fue rápida y
sin mayores inconvenientes lograron hacerlo en solo 3 días. Lo que representa que la
tecnología LoRa® resulta ser un método eficiente para el monitoreo y control de manera
inalámbrica.
4
3.Objetivos
3.1 Objetivo General
Implementar una red de sensores inalámbricos LPWAN mediante el protocolo LoRa para el
monitoreo de los parámetros de calidad del agua (CE, pH, TDS, T).
3.2 Objetivos Específicos
Hacer uso de un módulo inalámbrico LPWAN que maneje el protocolo LoRa, para
comprobar su eficacia.
Seleccionar y caracterizar los sensores que cumplan con las especificaciones y
requerimientos del problema planteado.
Diseñar los dispositivos.
Implementar el dispositivo con un bajo costo.
Realizar las pruebas de campo que permitan verificar la funcionabilidad del sensor.
5
4. Marco Teórico
4.1 PARAMETROS DE CALIDAD DEL AGUA:
El termino calidad del agua es usado para describir la condición del agua, incluyendo las
características químicas, físicas y biológicas, con base en la necesidad o propósito con el que
se dispone el agua ya sea para el consumo humano, recreación, industrial, piscicultura,
acuicultura, sistemas de riego, entre otros.
Dependiendo del uso que se le da al agua existen unos valores máximos aceptables; para el
consumo humano generalmente cada país establece estos valores máximos para determinar
si el agua es potable o no. En Colombia estos valores son establecidos en la resolución
número 2115 del 22 de junio del 2007 expedida por el ministerio de la protección social,
ministerio ambiente, vivienda y desarrollo territorial en la cual se señalan las características,
instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua
y el consumo humano. [10]
Los parámetros del agua se clasifican en 4 grupos principalmente:
1. Físicos
2. Químicos
3. Biológicos
4. Radiológicos
4.1.1 Parámetros Físicos:
Sabor y Olor: Son parámetros subjetivos, por lo que no tienen unidades ni medidas y por lo
tanto tampoco instrumentos de medición.
Color: Es la capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible, en el agua existen
muchas causas para que esta se torne de diferente color, pero para algunos colores se puede
obtener una idea de las causa que lo provoca por ejemplo el agua se torna de color amarillento
en presencia de ácidos húmicos, rojizo en presencia de hierro, negro en presencia de
manganeso. Para el consumo humano este parámetro no es importante, pero para algunos
fines industriales resulta de interés.
Turbidez: Es una medida del grado en el que el agua pierde su transparencia debido a
materiales insolubles en suspensión. Se mide en NTU (unidades Nefelometrías de Turbidez)
y existen diferentes técnicas empleadas para la medición de este parámetro uno de ellos es
usando celdas fotoeléctricas que mide la intensidad de la luz cuando un rayo de luz pasa a
través de una muestra de agua.
6
Temperatura: Es la Magnitud que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo posee, en
este caso el agua.
Si el agua está demasiado caliente no habrá suficiente oxígeno en el agua, aunque también la
cantidad de oxigeno se reduce a través de fertilizantes provenientes de los campos. Cuando
hay muchas bacterias o minerales acuáticos en el agua, forman una sobrepoblación, usando
el oxígeno disuelto en grandes cantidades. [11]
La temperatura también afecta el pH del agua pues las moléculas tienden a descomponerse
en hidrogeno y oxígeno al aumentar la temperatura. Por lo que proporcional a la temperatura
las moléculas de agua se rompen y producen más hidrogeno aumentando el pH.
La cantidad de oxígeno disuelto en el agua que necesita un organismo depende de la especie
de éste, su estado físico, la temperatura del agua, los contaminantes presentes, y más.
Consecuentemente por esto es imposible predecir con precisión el mínimo nivel de oxígeno
disuelto en el agua para peces específicos y animales acuáticos. Por ejemplo, a 5oC (41oF),
la trucha usa sobre 50-60 miligramos (mg) de oxígeno por hora, a 25oC (77oF), ellas deberían
necesitar cinco o seis veces esa cantidad. Los peces son peces de sangre fría, por lo que ellos
utilizan más oxígeno en temperaturas altas cuando su velocidad metabólica aumenta. [11]
Conductividad Eléctrica:
Es la capacidad que tiene una solución metal o gas para pasar la corriente eléctrica, En las
soluciones la corriente es llevada por cationes y aniones mientras que en los metales es
transportada por electrones. Es una medida de interés puesto que indica la presencia de
materia ionizable. Debido a que el agua pura no conduce electricidad, el valor de la
conductividad dependerá de las impurezas presentes en el agua. Debido a que la
conductividad también depende de la temperatura en lo posible las mediciones deben ser
tomadas en la misma temperatura para que esta medida sea representativa. La unidad de
medida es el microSiemens/cm.
Si bien la conductividad eléctrica en una solución depende de un número de factores:
Concentración
Movilidad de iones
Valencia de los iones
Temperatura
Todas las sustancias tienen un grado de conductividad. En soluciones acuosas la fuerza del
nivel iónico varía en baja conductividad en agua ultra pura y alta conductividad de muestras
de concentración química.
Según la resolución número 2115 del 2007 Articulo 3, en Colombia para aguas de uso potable
el valor máximo aceptable puede ser hasta 1000 microsiemens/cm. Este valor podrá
7
ajustarse según los promedios habituales y el mapa de riesgo de la zona. Un incremento de
los valores habituales de la conductividad superior al 50% en el agua de la fuente, indica un
cambio sospechoso en la cantidad de sólidos disueltos y su procedencia debe ser investigada
de inmediato. [10]
4.1.2 Parámetros Químicos [12]:
pH: Son las siglas para potencial de hidrogeno, Acuñado por el bioquímico danés S.P.L
Sorensen. Es la medida de acidez o alcalinidad de una disolución e indica la concentración
de iones de Hidrogeno [H]+ presentes en la disolución medida. [13]
Es un parámetro de suma importancia en los ecosistemas ya que el rango de pH está
sumamente restringido para que las especies acuáticas puedan sobrevivir.
En Colombia el valor máximo permitido para uso de potable del pH es entre 6 y 9.
Dureza: Es debida a la presencia de sales de calcio y magnesio, Permite medir la capacidad
del agua para producir incrustaciones. La eliminación de la dureza se hace principalmente
por descalcificación o ablandamiento por intercambio iónico con resinas.
Coloides: Material en suspensión de un tamaño de 10-4~10-5 mm, que puede ser de origen
orgánico o inorgánico.
Solidos Totales: Es la cantidad de materia que está presente en el agua se calcula midiendo
los Solidos Disueltos que es la cantidad de materia disuelta en el agua y los sólidos en
suspensión que son los sólidos sedimentables y que pueden ser retenidos por filtración.
Cloruros: Es un anión que en cantidades elevadas da mal sabor al agua.
Iones y Cationes como: Sulfatos: (Ion sulfato SO4), Nitratos: (Ion nitrato NO3-), Fosfatos:
(Ion fosfato PO4-3), Fluoruros (F-), Sodio (Na+), Potasio (K+) Calcio (Ca+) Magnesio
(Mg+) también son medidos para establecer la calidad del agua.
Hierro: Es un catión que afecta considerablemente a la potabilidad del agua y para usos
industriales por provocar incrustaciones, por lo que es importante para determinar si un agua
está contaminada.
Metales tóxicos: Son metales que deben ser seriamente controlados en el origen de la
contaminación y pueden producir graves daños en la salud los más comunes son el arsénico,
el cadmio, el plomo, el cromo, el bario y el selenio.
Gases Disueltos:
El (DO), es el oxígeno que esta disuelto en el agua. Esto se logra por difusión del aire del
entorno, la aireación del agua que ha caído sobre saltos o rápidos; y como un producto de
desecho de la fotosíntesis, La fórmula correspondiente sería:
8
Fotosíntesis (en presencia de luz y clorofila):
𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 → 02 + 𝐶6𝐻12𝑂6 (1)
Donde vemos como resultado de la reacción oxígeno y nutrientes ricos en carbono.
Un alto nivel de oxígeno en un suministro de una comunidad es bueno, el sabor del agua
resulta ser mejor, pero al aumentar los niveles de oxígeno aumenta la corrosión en las
tuberías. Por esta razón, las industrias usan agua con la mínima cantidad posible de oxígeno
disuelto. Agua usada en calderas de muy baja presión no tienen más de 2.0 ppm de oxígeno
disuelto.
Los gases concentrados en el agua no deberían exceder el 110%, estos niveles pueden ser
peligrosos para la vida acuática, pues a estos niveles los peces e invertebrados acuáticos
debido a la “enfermedad de la burbuja de gas” les causa la muerte.
Un adecuado nivel de oxígeno disuelto es necesario para una buena calidad del agua. El
oxígeno es un elemento necesario para todas las formas de vida. Los torrentes naturales para
los procesos de purificación requieren unos adecuados niveles de oxígeno para proveer para
las formas de vida aeróbicas. Como los niveles de oxígeno disuelto en el agua bajen de 5.0
mg/l, la vida acuática es puesta bajo presión. La menor concentración, la mayor presión.
Niveles de oxígeno que continúan debajo de 1-2 mg/l por unas pocas horas pueden resultar
en grandes cantidades de peces muertos.
El oxígeno disuelto es absolutamente esencial para la supervivencia de todos los organismos
acuáticos (no sólo peces también invertebrados como cangrejos, almejas, zooplacton, etc).
Además el oxígeno afecto a un vasto número de indicadores, no solo bioquímicos, también
estéticos como el olor, claridad del agua, y sabor. Consecuentemente, el oxígeno es quizás el
más estabilizado de los indicadores de calidad de agua.
El ácido sulfhídrico (SH2) Causa un olor a huevos podridos y es corrosivo.
El amoniaco, NH3, es un indicador de contaminación del agua y es toxico para los peces.
4.1.3 Parámetros Biológicos:
La actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica en el agua
debido a la descomposición animal, vegetal, residuos domésticos, detergentes, etc.
Demanda Biológica de Oxígeno (DBO): Es la cantidad de oxigeno necesaria para que los
microrganismo logren degradar la materia orgánica biodegradable.
Demanda Química de Oxigeno (DQO): Es la cantidad de oxigeno necesaria para degradar
químicamente toda la materia que se encuentra presente en la muestra.
4.1.4 Parámetros Radiológicos:
9
La actividad radiológica es la medida de la emisión de partículas alfa y beta que se producen
al descomponerse los materiales radioactivos. Estas emisiones son extremadamente nocivas
para los seres vivos y que pueden a producir deformaciones congénitas, formación de
tumores entre otros daños a nivel celular.
En el agua se debe a la presencia de materiales radiactivos como el uranio, radio y oros
elementos químicos que generan partículas alfa y beta. El límite máximo permitido de
radicación en el agua potable es 15pCurios/L
4.2 RED DE SENSORES INALAMBRICOS:
Se define como una red auto-configurable integrada por un pequeño número de nodos
sensores también llamados motes distribuidos espacialmente y comunicados entre sí para lo
que se usan señales de radio, con la finalidad de monitorizar y entender el mundo físico. [14]
Figura 1.Componentes de WSN Gateway y nodos distribuidos. [15]
Los WSN son un recurso de bajo costo empleados para la recolección de información y son
usados en gran variedad de aplicaciones tales como:
Monitoreo ambiental de aire, agua y suelo
Monitoreo estructural para edificios y puentes
Monitoreo industrial de maquinas
Monitoreo de procesos
Seguimiento de activos
Para nuestro caso se construirá una red de sensores inalámbricos para medir los parámetros
de calidad del agua mediante la tecnología inalámbrica LoRa.
Cada nodo sensor tiene una serie de componentes técnicos, como se muestran en la figura 2.
Los cuales incluyen el radio, la batería, los microcontroladores, circuitos análogos, y una
interfaz a sensor. Cada uno de estos componentes debe ser pensado cuidadosamente. Los
WSN generalmente deben tener una duración de batería de 3 años. Por lo que altas tasas de
procesamiento, envíos de datos, podrían llegar a consumir gran cantidad de energía.
10
Para extender la duración de la batería, los nodos se encienden y transmiten los datos, para
posteriormente apagarse y conservar energía. Por lo tanto, el procesador involucrado debe
ser capaz de despertar, enviar los datos y volver al modo sleep de manera eficiente.
Figura 2. Componentes de un sensor de nodo WSN [15].
4.2.1 RADIO
Es el dispositivo encargado de transmitir la información del nodo sensor al Gateway o nodo
receptor mediante ondas electromagnéticas, existen algunos módulos y protocolos de
comunicación en las WSN para lograr dicho objetivo, dentro de ellos encontramos Zigbee
basado en el estándar IEEE 802.15.4, Bluetooth, Z-Wave, 6LowPAN, Sigfox, Neul y LoRa,
entre otros.
En este documento se hará énfasis en la tecnología LoRaWAN debido a que es el protocolo
que se manejará para la implementación de nuestro WSN.
4.2.2 Tecnología LoRa:
Es una tecnología inalámbrica LPWAN (Low- Power Wide-Area Network) pensada para
desarrollar aplicaciones de IoT (Internet de las cosas) y M2M (machine to machine). Estas
aplicaciones se extienden mucho más allá de la tecnología celular. Esta tecnología está
pensada para dispositivos de tipo de sensores que pueden durar un gran tiempo con una
pequeña batería.
4.2.2.1 Modulación LoRa
Muchos sistemas inalámbricos usan modulación FSK, porque es muy eficiente para lograr
baja potencia. Sin embargo LoRa está basada en la Modulación CSS (Chirp Spread
Spectrum) que ha sido utilizada para comunicaciones espaciales y militares por décadas
debido a larga distancias de comunicación que se puede lograr y robustez a la interferencia.
LoRa es la primera en implementar esta modulación de forma comercial. [16]
11
4.2.2.2 Protocolo LoRaWAN ™
Los nodos en una red LoRaWAN son asíncronos y se comunican cuando tienen datos listos
para enviar ya sea impulsada por eventos o programados. Este tipo de protocolo se le conoce
con el nombre de método Aloha. En una red sincrónica o de malla tiene que despertar para
sincronizarse con la red y esto consume una significativa energía, reduciendo el tiempo de
vida de la batería. [16]
La arquitectura de red LoRaWAN se presenta típicamente en una topología de estrella de
estrellas en la que los gateways son un puente transparente que retransmite mensajes entre
end-devices (nodos) y un servidor de red central. Los gateways se conectan al servidor de
red a través de conexiones IP estándar mientras que los dispositivos finales utilizan una
comunicación inalámbrica de un solo salto a uno o varios gateways. Todas las
comunicaciones de punto final son generalmente bidireccionales, pero también son
compatibles con la operación tal como la multidifusión que permite la actualización de
software en el aire u otro tipo de mensajes que reducen el tiempo de comunicación en el aire.
La comunicación entre los nodos y los Gateways se extiende en diferentes canales de
frecuencia y velocidades de datos. La selección de la velocidad de datos es una compensación
entre el intervalo de comunicación y la duración del mensaje. Debido a la tecnología Spread
Spectrum, las comunicaciones con diferentes velocidades de datos no interfieren entre sí y
crean un conjunto de canales "virtuales" que aumentan la capacidad del gateway. Las
velocidades de datos de LoRaWAN oscilan entre 0,3 kbps y 50 kbps. Para maximizar tanto
la duración de la batería de los dispositivos finales como la capacidad total de la red, el
servidor de red LoRaWAN gestiona la velocidad de datos y la salida de RF para cada
dispositivo final individualmente mediante un esquema de velocidad de datos adaptativa
(ADR). [17]
La especificación varia significativamente dependiendo de la región como se muestra en la
siguiente figura:
12
Figura 3.Características de LoRaWAN dependiendo de la Región. [16]
4.2.2.2.1 Seguridad LoRaWan: [17]
En términos de seguridad LoRaWAN ™ utiliza 2 capas de seguridad: uno para la red y otro
para la aplicación.
Network Session Key: Se asegura de que la autenticidad del nodo.
Application Session Key: Se asegura de que el operador tiene permiso para manejar la red.
Se emplea la encriptación AES-128 junto con el intercambio de claves utilizando un
Identificador IEEE EU164 [16]
Figura 3. Flujo de Datos LoRaWAN. [18]
4.2.2.2.2 Clasificación de los dispositivos LoRa [17]
Existen 3 clases de dispositivos que manejan LoRaWan definidos como A, B y C, aunque
todos los dispositivos implementan al menos la funcionalidad de la clase A.
13
Clase A:
Los nodos de la Clase A permiten comunicaciones bidireccionales por las cuales la
transmisión de enlace ascendente de nodo es seguida por dos ventanas cortas de recepción
de enlace descendente. La ranura de transmisión programada por el dispositivo final se basa
en sus propias necesidades de comunicación con una pequeña variación basada en una base
de tiempo aleatoria (tipo de protocolo ALOHA). Esta operación de Clase A es el sistema de
dispositivo final de menor potencia para aplicaciones que sólo requieren comunicación de
enlace descendente desde el servidor poco después de que el dispositivo final haya enviado
una transmisión de enlace ascendente. Las comunicaciones de enlace descendente desde el
servidor en cualquier otro momento tendrán que esperar hasta el siguiente enlace ascendente
programado.
La Figura 4 representa el acceso al medio en la clase A de LoRaWAN, que se utiliza durante
el procedimiento de activación, y durante el intercambio de datos (con temporizadores
diferentes). Después de una transmisión, se abre una primera ventana de recepción. Si no se
detecta ningún preámbulo durante la primera ventana de recepción, o si se detecta una
transmisión para otro nodo, se abre la segunda ventana de recepción. Independientemente del
hecho de que se reciba o no un preámbulo, el canal (así como otros canales de la misma sub-
banda) no se puede utilizar durante una duración, dependiendo del ciclo útil.
Clase B:
Dispositivos finales bidireccionales con ranuras de recepción programadas (Clase B): Los
dispositivos finales de la Clase B permiten más ranuras de recepción. Además de las ventanas
de recepción aleatoria de clase A, los dispositivos de clase B abren ventanas de recepción
adicionales a horas programadas. Para que el dispositivo final abra la ventana de recepción a
la hora programada, recibe una baliza sincronizada de tiempo desde la puerta de enlace. Esto
permite al servidor saber cuándo el dispositivo final está escuchando.
Tiempo
Trans.2 R2 R1 Trans.1
𝑑1
𝑑2
𝑑3
Figura 4. Acceso al medio en clase A de LoRaWAN.
14
Figura 5.Acceso al medio en clase B LoraWAN.
Clase C
Los dispositivos finales de la clase C tienen ventanas de recepción abiertas casi
continuamente, sólo cerradas cuando se transmiten. El dispositivo final de Clase C utiliza
más energía para funcionar que la Clase A o la Clase B, pero ofrece la menor latencia para
la comunicación entre el servidor y el dispositivo final.
4.2.2.2.3 Activación de un nodo: [17]
Se requiere un procedimiento de activación para que los nodos participen en las actividades
de la red, pero antes de eso los nodos deben tener la siguiente información requerida:
Luego de ello LoRaWAN define dos procedimientos de activación:
Activación por personalización (ABP): En la ABP, los nodos poseen en su memoria la
información requerida: así, no se requiere comunicación para unirse a la red, esta información
es:
Device Address (DevAddr): Dirección de 32 bits única dentro de la red y presente en
cada dataframe la cual permite a la red interpretar los datos y usar las claves de encriptación
correctamente.
Network Session key (NwkSKey): Clave de encriptación AES de 128 bits única para
cada nodo y compartida entre el nodo y el Servidor de la red. Proporciona integridad de los
mensajes y seguridad para la comunicación entre el nodo y el servidor de la red.
Application Session key (AppSKey): Clave de encriptación AES de 128 bits única
para cada dispositivo y compartida con el nodo y la aplicación del servidor.
TRANMISIÓN RX2 RX1 RX2
RXDELAY1 RXDELAY2
Figura 6. Acceso al medio en clase C LoraWAN
15
Activación en el aire (OTAA): El dispositivo final envía una solicitud de unión al Gateway,
que reenvía la trama al servidor de red conteniendo los datos:
DevEUI: identificador global del nodo.
(AppEUI): Identificación de la aplicación.
(AppKey): autenticación con la clave de aplicación
El servidor de red responde con una “join accept”, que es reenviado por el Gateway. El
Gateway puede transmitir este “join accept” durante la primera ventana de recepción (que
ocurre cinco segundos después del final de la transmisión de la petición de unión) o durante
la segunda ventana de recepción (que ocurre seis segundos después del final de la transmisión
de la petición de unión). El nodo descifra el “join accept” obteniendo así: DevAddr,
NwkSKey y AppSKey.
4.2.3 Batería: [19]
Es el dispositivo que se encarga de alimentar los otros componentes del nodo, consiste en
una o más celdas electroquímicas que convierten la energía química almacenada en
electricidad.
Existen diferentes tipos de baterías comerciales, los cuales se detallan a continuación:
TIPO DE
BATERIA CARACTERISTICA VENTAJAS DESVENTAJAS
PLOMO-ACIDO
Construida por dos
electrodos de plomo,
donde el electrolito es
una disolución de
ácido sulfúrico.
Bajo costo.
Fácil
construcción
Altamente
contaminante
Baja densidad
de energía.
NIQUEL-
HIERRO
Larga vida útil.
Admite sobre-
descargas
No es
contaminante
Eficiencia del
65%.
NIQUEL-
CADMIO (Ni-
Cd)
Utilizan un cátodo e
hidróxido de níquel y
un anido compuesto de
cadmio
Admiten un
gran rango de
temperaturas.
Admiten Sobre-
descargas.
Densidad de
energía bajo.
Alto efecto
memoria, que
reduce la
capacidad con
cargas
incompletas.
16
Baterías de
Níquel-Hidruro
metálico (Ni-HM)
Utilizan un ánodo de
hidróxido de níquel y
un cátodo de una
aleación de hidruro
metálico
Efecto memoria
bajo.
No admiten bien
el frio extremo.
Baterías de Iones
de Litio (Li-ion)
Su desarrollo es más
reciente, utilizan un
ánodo de grafito y un
cátodo de óxido de
cobalto, trifilina u
oxido de cobalto
Efecto memoria
bajo.
Altas
densidades de
capacidad.
No admiten bien
los cambios de
temperatura.
No pueden
descargarse por
debajo de cierto
voltaje
Baterías de
polímero de Litio
(LiPo)
Son una variación de
las baterías de Li-ion,
pero poseen una mayor
densidad de energía,
así como una tasa de
descarga bastante
superior.
Mayor densidad
de carga
Buena tasa de
descarga,
bastante
superior a las e
iones de litio
Si se descargan
por debajo de
los 3V quedan
inutilizables.
Tabla 1. Tipos de baterías.
Los Supercondensadores los cuales son condensadores con una alta capacitancia,
recientemente se han empezado a utilizar como fuentes de energía, especialmente cuando el
dispositivo requiere de una potencia pequeña para su funcionamiento.
Las principales características a la hora de seleccionar la batería para una WSN son la
capacidad y su eficiencia debido a que los nodos sensores deben estar pensados para tener
una larga duración de funcionamiento. En la tabla 2 se mencionan estas características
Aunque no son las únicas características a determinar el tamaño y la forma también son
características importantes a la hora de seleccionar una batería cuando se diseña un nodo
sensor debido a que estos suelen ser pequeños.
Tipo Relación
Energía/Peso
Carga
nominal
Duración
(número de
recargas)
Tiempo
de carga
Autodescarga
por mes
(% del Total)
Plomo 30-40 Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 %
Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 1000 2h-4h * 20 %
Ni-Fe 30-55 Wh/kg 1,2 V + de 10 000 4-8h 10 %
Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 500 10-14h * 30 %
Li-Po 100-130
Wh/kg
3,7 V 5000 1h-1,5h 10 %
Li-ion 110-160
Wh/kg
3,7 V 4000 2h-4h 25 %
Tabla 2. Características de los tipos de baterías. [19]
Las baterías de litio (tanto las Li-Po como las Li-ion) son las que mayor eficiencia tienen y
el voltaje a operar es el adecuado para el presente proyecto, sin embargo se debe tener
17
circuitería adicional para conocer el estado de la batería debido a que no soportan cargas
excesivas y no pueden descargarse por debajo de cierto voltaje de lo contrario podrían quedar
inutilizables o disminuir su capacidad drásticamente.
4.2.4 Microcontrolador
Es un circuito integrado programable compuesto de varios bloques funcionales, con el
objetivo de cumplir una o varias tareas específicas. Posee las 3 unidades funcionales de una
computadora: Unidad de procesamiento, memoria y periféricos de entrada y salida. En una
WSN el microcontrolador tiene la tarea recolectar procesar y almacenar los datos
provenientes de los sensores para posteriormente transmitir la información al radio
transmisor.
Generalmente el microcontrolador viene acompañado de un RTC (Real Time Clock) el cual
aportará información del tiempo real permitiendo así, almacenar los datos con fecha y hora
de la toma de datos y lanzar eventos programados en el tiempo en caso de que se requieran.
Microcontrolador escogido:
Para realizar un módulo inalámbrico es necesario pensar en elementos que baja potencia y
que brinden las herramientas necesarias para el perfecto funcionamiento de los nodos, por
ello se escogió un microcontrolador de marca Texas Instruments de la familia MSP430 de
referencia MSP430F5529.
Los MSP430 son una familia de microcontroladores de ultra-baja potencia basados en CPU’s
RISC con periféricos avanzados para obtener una detección y una medición de precisión,
empleados para una gran cantidad de aplicaciones como automatización industrial, sistemas
domóticas, aplicaciones médicas, entre otras.
Figura 7. Microcontrolador MSP430F5529 [20]
Es un microcontrolador con CPU RISC de 16 bits y registros de 16 bits el cual posee las siguientes
características:
FRECUENCIA MAXIMA 25 MHz
MEMORIA NO VOLATIL 128 KB
RAM (KB) 10 KB
NUMERO DE PINES GPIO 63
I2C 2
SPI 4
UART 2
18
DMA 3
ADC 12BITS 14 CANALES
COMPARADORES (entradas) 12
TEMPORIZADORES -16 BITS- 4
MULTIPLICADOR 32X32
MAX VCC 3.6V
MIN VCC 1.8V
COMPONENTES ADICIONALES RELOJ DE TIEMPO REAL (RTC) USB SENSOR DE TEMPERATURA WATCHDOG
Tabla 3. Características MSP430F5529.
Cuenta con diferentes Modos de operación los cuales permiten variar el consumo de energía
del microcontrolador los cuales son:
MODO CARACTERISTICA CORRIENTE A 3V
Modo Activo (AM) Todos los sistemas de reloj activos
290uA/MHz a 8 MHz
Modo Standby (LPM3) RTC con cristal, Watchdog, Retención de la RAM, Despierta rápidamente.
1.4uA (valor típico)
Off Mode (LMP4) Retención de la RAM 1.1 uA (valor típico)
Shutdown Mode (LMP4.5) Completamente apagado 0.18 uA (valor típico)
Tabla 4. Modos de operación MSP430F5529
4.2.5 Interfaz Sensor y Circuitos análogos
Los sensores son objetos capaces de detectar magnitudes físicas o químicas y transformarlas
en variables eléctricas, estos objetos nos darán la capacidad de medir los parámetro se calidad
del agua.
Muchos de los sensores a utilizar requieren de Circuitos de acondicionamiento que permiten
el acople con la unidad de procesamiento, tales circuitos pueden corresponder a filtros o
etapas de acondicionamiento que mejorarán la precisión y la exactitud de la medida.
Para cumplir con el objetivo planteado se utilizarán 3 sensores:
-Temperatura
-Conductividad Eléctrica.
-pH.
19
4.2.5.1 SENSOR DE TEMPERATURA:
Nos dará información de la temperatura presente en el agua en grados centígrados, como
sensor se escogió la sonda DS18B20 de Maxim Integrated ya que está diseñada para
sumergirse en el agua.
Figura 8.Sensor de temperatura DS18B20.
La salida de la sonda es digital y se comunica con el microcontrolador a través del protocolo
1-Wire donde tanto la transmisión como la recepción se hace por un solo cable, este protocolo
también permite tener varios sensores en un solo pin por lo que lo hace de gran ayuda cuando
los pines del microcontrolador son escasos o cuando se necesitan muchos sensores
conectados al microcontrolador en un área grande.
El DS18B20 también puede derivar la energía directamente de la línea de datos eliminando
la necesidad de una fuente de alimentación externa. El sensor está compuesto por los
siguientes bloques:
Figura 9. Bloques que componen al DS18B20 [21].
20
Posee las siguientes características, que lo hacen aceptable para utilizarlo en el proyecto:
Tabla 5. Característica de la sonda DS18B20. [21]
4.2.5.2 MEDICION DE LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA (EC):
La conductividad puede ser medida aplicando una corriente eléctrica alterna con dos
electrodos inmersos en una solución y midiendo el voltaje resultante (v) durante este proceso,
los cationes migran a los electrodos negativos, los aniones a los electrodos positivos y la
solución actúa como un conductor eléctrico.
No se puede utilizar una corriente DC porque hace que la concentración de iones no sea
uniforme; como resultado, la medición de la conductividad eléctrica tiene altos errores. Al
utilizar corriente AC con una frecuencia lo suficientemente alta (>1KOhm) las moléculas no
tienen tiempo de apartarse pues el cambio de dirección de la corriente hace que se mantengan
en el sitio.
Se requieren de dos cosas para realizar la medición de la conductividad, uno es la Celda de
conductividad la cual posee los electrodos que se sumergen en el agua y la otra parte es el
circuito encargado de aplicar la corriente AC y medir el voltaje para calcular la resistencia y
en efecto la conductividad del agua.
La resistencia de la solución puede ser calculada usando la ley de ohm
𝑉 = 𝑅 ∗ 𝐼 (2)
Donde V es el Voltaje, I la corriente, R= resistencia de la Solución.
21
Conductancia: está definida como la inversa de la resistencia eléctrica de una solución entre
los electrodos.
𝐺 =1
𝑅
(3)
El medidor de conductividad en efecto mide la conductancia y muestra la lectura convertida
en conductividad.
Conductividad:
La electricidad es el flujo de electrones. Esta indica que los iones en la solución serán
conductores eléctricos. La conductividad es la capacidad de una solución para permitir el
paso de la corriente. La lectura de conductividad en una muestra cambiará con la temperatura.
𝑘 = 𝐺 ∗ 𝐾 (4)
Donde,
k=Conductividad (s/cm).
G=Conductancia (s).
K=constante de la celda (cm-1).
Constante de la Celda: Es la proporción de la distancia (d) entre los electrodos a el área (A)
de los electrodos.
Figura 10. Celda de conductividad.
𝐾 =𝐷
𝐴
(5)
K= Constante de la celda (cm-1)
22
A=Área efectiva de los electrodos (cm2)
D=Distancia entre los electrodos (cm)
Sin embargo esta relación no se cumple en la realidad a cabalidad debido a que no toda el
área de los electrodos es lisa y las líneas de campo eléctrico tampoco son perpendiculares en
su totalidad.
La manera de conocer la constante de la celda es midiendo con la celda una disolución con
conductividad conocida y hacer los despejes necesarios quedando de la siguiente manera:
𝐾 =𝑘
𝐺
(6)
Se debe tener en cuenta que el modelo de la conductancia de una sustancia puede ser
equivalente a un circuito de resistencias y condensadores en paralelo tal como se muestra en
la Figura 9., donde RL1 y RL2 son las resistencias de los electrodos; R1 y R2 son las
resistencias producto de la polarización química y CP es el condensador principal. Rx es la
resistencia de la sustancia.
Figura 11. Circuito equivalente de la conductancia de una sustancia. [22]
TIPOS DE CELDAS DE CONDUCTIVIDAD:
Celda de 2 Polos:
La corriente alterna es aplicada entre los 2 polo y el voltaje resultante es medido.
Error debido a la Geometría de las líneas de campo:
Existe un error causado por la geometría que se torna en el campo, debido a que algunas
líneas de campo se salen de los electrodos afectando la medida. Este error ocurre
23
principalmente en las celdas de 2 polos y es considerablemente reducido empleando celdas
de 3 y 4 polos.
Figura 12. Líneas de campo en una celda de dos polos
Celda de 3 Polos:
El polo adicional permite que las líneas de campo sean guiadas y confinadas de manera
óptima limitando la dispersión en la medición y eliminando algunos parámetros que influyen
en la medida.
Celda de 4 Polos:
La corriente es aplicada a los anillos exteriores (1 y 4) generando una diferencia de potencial
entre los dos anillos. Los anillos internos (2 y 4) recibirán una diferencia de potencial
constante.
La geometría de una celda de 4 polos minimiza en gran medida los errores por la geometría
de las líneas de campo.
Figura 13. Celda de 4 polos.
24
CIRCUITO DE MEDICIÓN:
Existen dos tipos circuitos que generalmente se usan para hallar la conductividad eléctrica
uno de ellos es el puente wheastone que se muestra en la Figura 14, donde se busca que la
relación R1/R2 y R3/Rx sea igual variando el valor de la resistencia de R2, en ese caso el
voltaje de VG sería seria 0 y la resistencia de Rx estaría dada por la ecuación:
𝑅𝑥 =𝑅2
𝑅1𝑅3 (7)
Encontrando la resistencia de Rx se puede hallar la conductancia y teniendo la constante de
la celda hallar la conductividad.
Figura 14. Puente Weasthone
El segundo tipo de circuito consiste en crear una ganancia realimentada dependiente de la
conductancia que se da entre los electrodos de la celda como se muestra en la siguiente
figura:
Figura 15. Circuito de ganancia Realimentada
25
Teniendo en cuenta la respuesta de un operacional con su respectivo offset:
𝑉𝑜 = (𝑉+ − 𝑉− + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡) ∗ 𝐴𝑑 (8)
Donde:
𝑉+ =𝑉𝑠𝑅𝐺
𝑅𝐺 + 𝑅1
(9)
𝑉− =𝑉𝑜𝑅𝐺
𝑅𝐺 + 𝑅1
(10)
Remplazando en ( ):
𝑉𝑜 =(𝑉𝑠𝑅𝐺 + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡(𝑅𝐺 + 𝑅𝑥)) (𝐴𝑑(𝑅𝑓 + 𝑅𝑥))
(𝑅𝑓 + 𝑅𝑥(1 + 𝐴𝑑)) (𝑅𝐺 + 𝑅1) (11)
Como Ad es demasiado grande se toma como infinito y por regla de L’Hôpital tenemos:
𝑉𝑜 =𝑉𝑠(𝑅𝐺)
𝑅𝐺 + 𝑅1∗ (𝑅𝑓
𝑅𝑥+ 1) + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 ∗ (
𝑅𝑓
𝑅𝑥+ 1)
(12)
Despejando Rx:
𝑅𝑥 =𝑅𝑓 ∗ (𝑉𝑠𝑅𝐺 + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡(𝑅𝐺 + 𝑅1))
(𝑉𝑜 + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡)(𝑅𝐺 + 𝑅1) − (𝑉𝑠𝑅𝐺)
(13)
Después de la salida de la ganancia realimentada lo acompaña un puente rectificador de onda
completa y un filtro pasabajos con el objetivo de convertir la señal obtenida (AC) en una
señal (DC) para posteriormente pasarla al microcontrolador.
Corrección de la Temperatura:
Debido a que la conductividad eléctrica depende de la temperatura de la sustancia se realiza
una corrección mediante algoritmos de la medida para referirlo a una temperatura constante
26
que generalmente es la de ambiente 25°C y de esa manera realizar un correcto análisis de la
medida obtenida.
4.2.5.3 SENSOR PH:
Para medir este parámetro existe un método potenciómetrico basado en que dos disoluciones
con distinta [H+] establece una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial
determina que cuando las dos disoluciones se ponen en contacto se produzca un flujo de H+,
o en otras palabras, una corriente eléctrica. En la práctica, la medida del pH es relativa, ya
que no se determina directamente la concentración de H+, sino que se compara el pH de una
muestra con el de una disolución patrón de pH conocido.
Para ello se utiliza un electrodo de pH. Cuando el electrodo entra en contacto con la
disolución se establece un potencial a través de la membrana de vidrio que recubre el
electrodo. Este potencial varía según el pH. Para determinar el valor del pH se necesita un
electrodo de referencia, cuyo potencial no varía. El electrodo de referencia puede ser externo
o puede estar integrado en el electrodo de pH.
Figura 16. Electrodos de pH.
La diferencia de potencial E es proporcional a [H+], y viene definida por la ecuación de
Nernst:
𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝐸𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 + (2,3𝑅𝑇
𝑁𝐹) 𝑝𝐻
(14)
27
Donde (2,3 RT/NF) es el factor de Nernst, que depende de la constante de los gases ®, la
constante de Faraday (F), la carga del ion (N), que para el pH vale 1, y la temperatura en
grados Kelvin (T).
Como se ve en la ecuación, el comportamiento del electrodo depende de la temperatura por
lo tanto se debe realizar la debida compensación la cual puede ser manual o automática.
Figura 17. Error del electrodo pH dependiendo de la temperatura. [23]
28
5 Metodología
Para la realización de este proyecto se divide en 4 fases como se muestra a continuación:
Fase 1. Constantemente se estará buscando información sobre los diversos temas que se
deben tratar en el proyecto. Se adquirirá el modulo LoRa para su caracterización. Se estará
buscando los debidos sensores y el microcontrolador que cumplan con las características
requeridas para el prototipo.
Fase 2. A medida que los sensores se vayan adquiriendo se caracterizaran y se probaran
mediante el microcontrolador seleccionado. Se desarrollarán los debidos acondicionamientos
para cada sensor.
Fase 3. Se implementara el prototipo con el debido modulo LoRa, el debido microcontrolador
y se buscara que el prototipo desarrollado funcione de manera eficiente, con el menor código
posible, para reducir procesos y disminuir la energía necesaria para su funcionamiento. Se
desarrollará la aplicación que servirá como interfaz gráfica de tal forma que el usuario pueda
ver los datos obtenidos mediante la red de sensores y se realizara el debido informe de los
procedimientos realizados.
Fase 4. En esta fase el dispositivo debe estar listo, se procede a realizar las pruebas de campo.
Se realizará un informe más completo el cual será entregado al director. Posteriormente se le
harán los ajustes necesarios para su exposición.
29
6 Desarrollo de la Propuesta 6.1 Pruebas Iniciales con los módulos de comunicación
Como uno de los elementos principales en este proyecto es la comunicación que se realiza
entre los nodos, las primeras pruebas que se realizan tienen el propósito de lograr la
comunicación entre dos dispositivos utilizando los módulos LoRa, para ello se hace la
adquisición de los módulos LoRa y se procede caracterizarlos.
6.1.1 Caracterizando los módulos LoRa:
Los módulos LoRa que se trabajaron son los RN2903 de Microchip:
Figura 18. RN2903 [24]
El cual posee las siguientes especificaciones generales:
Especificaciones Descripción
Banda de frecuencia 902.0 a 928.0 MHz.
Métodos de modulación FSK, GFSK y modulación LoRa.
Tasa de datos Máxima 300 kbps en FSK, 12500 con modulación LoRa.
Interfaz UART.
Rango de operación Hasta 15 Km en área abierta y 5Km en área urbana.
Sensibilidad al 0.1% VER -146 dBm.
Potencia de Transmisión Ajustable; Valor máximo +18,5 dBm.
Nivel de armónicos
generados Por debajo de -70dBm.
Tabla 6. Especificaciones del módulo RN2903 [24]
En cuanto a las características eléctricas este módulo opera desde un voltaje de (2.1 a 3.6) V
el consumo de corriente depende del estado en que se encuentre en estado ocioso a 3.3V el
consumo es de 2.8mA y cuando está dormido su consumo es de 0.0013mA.
El consumo de corriente en estado de transmisión dependerá de la potencia de transmisión
ajustada mediante software y existen 19 niveles como se muestran a continuación con su
respectiva potencia de salida y corriente en mA operando a 3.3V:
30
Tabla 7. Consumo de corriente en estado de transmisión del RN2903. [24]
En cuanto al a programación del módulo RN2903 se emplea el uso de comandos ASCII que
son transmitidos mediante UART se definen 3 tipos de comando:
Sys: Son comandos referentes al sistema, con este tipo de comandos se puede
acceder a la memoria EEPROM incorporada, a la utilización de los puertos GPIO,
entre otras.
Ej: “SYS GET VDD” la cual muestra el voltaje con el que está operando el modulo
Mac: Son comandos referentes a la comunicación LoRaWAN, permite la
transmisión mediante este protocolo o configurar los parámetros necesarios para el
funcionamiento de este protocolo
Radio: Permite la configuración del dispositivo físico de la comunicación y permite
la comunicación sin ningún tipo protocolo mediante modulación FSK, GFSK o
Modulación LoRa.
Para las pruebas básicas se diseña un PCB el cual permite que el dispositivo se coloque en
protoboard, la placa contiene un Led que nos indica si se está alimentando al módulo y otro
Led ubicado en uno de los pines de propósito general. El PCB se muestra en la siguiente
figura:
31
Figura 19. PCB del RN2903
6.1.2 Elección de la antena de comunicación
Teniendo en cuenta los parámetros de ganancia y la frecuencia en la que opera los módulos
LoRa seleccionados para el funcionamiento de los nodos se requiere de una antena que
resonara a esas frecuencias y su ganancia sea considerable, además de que al tratarse de un
proyecto pensado en el bajo costo
La marca de la antena que se escogió fue PULSE ELECTRONICS de referencia W1063
con características mostradas en la tabla ()
Figura 20. Antena 918Mhz
32
Tabla 8. Características de la antena escogida.
Vemos que su ganancia resulta ser aceptable para nuestro propósito y el ancho de la
frecuencia se ajusta a las necesidades de los módulos LoRa además posee un bajo costo por
lo que la hace ideal para este proyecto.
Es una antena omnidireccional y esta característica se muestra en la figura
Figura 21. Diagrama Polar de dispersión de la antena
Con estos elementos se realiza la primera prueba para corroborar el funcionamiento de la
comunicación, para esta prueba se utilizan dos módulos LoRa y dos Launchpad
MSP430F5529LP.
Uno de los dispositivos se encarga de transmitir mediante un módulo la temperatura obtenida
con el sensor DS18b20 dato que es convertido a sus símbolos en ASCII y es agregada otra
información. El otro nodo se encarga de recibir el dato. Ambos procesos son mostrados en
una terminal como se muestra en la figura:
33
Figura 22. Resultado obtenido en los respectivos terminales.
Como uno de los objetivos se corrobora también las distancias que puede alcanzar los
módulos LoRa, para ello se desplaza el nodo transmisor y se deja el nodo receptor conectado
al computador revisando así que se reciba el dato. El resultado se muestra en la siguiente
tabla:
Metros Sin línea de vista Con línea de Vista
1
Transmisión Perfecta
Transmisión Perfecta
10
20
50
100 Transmisión con algunos
fallos de comunicación 200
300
Sin transmisión 400
500 Transmisión con pocos
fallos de comunicación
Tabla 9. Distancias alcanzadas con los módulos RN2903
6.2 Diseño del Nodo Sensor
Para el nodo sensor primero se diseñan los circuitos de acondicionamiento y los sensores en
este caso corresponden al sensor de conductividad y al sensor de pH. El sensor de temperatura
al dar directamente una salida digital no se requiere de ningún acondicionamiento.
Los elementos que componen al nodo sensor se muestran en el siguiente diagrama de
bloques.
34
Figura 23. Diagrama de bloques de los elementos que componen al NODO SENSOR.
6.2.1 Construcción del Sensor de Conductividad:
Para este sensor el primer paso que se realiza es la construcción de la celda de conductividad,
el diseño que se escogió fue una celda de 2 polos debido a su fácil construcción y
mantenimiento. Seguidamente se diseña el circuito que entregará la señal AC y se encargará
de medir la conductividad. Posteriormente se realiza la compensación de temperatura.
6.2.1.1 Diseño de la Celda:
Para ello se crearon diferentes celdas con el objetivo de buscar la más adecuada para el
proyecto. La primera en construirse estaba hecha de cobre utilizando dos alambres AWG 14
de un diámetro de 1.62mm. La segunda celda fue construida a partir de un medidor de TDS.
La tercera celda fue construida con acero inoxidable de un diámetro parecido al del alambre
de cobre como se muestra en la Figura 24.
35
Figura 24. Celdas construidas para la medición de conductividad
Una vez creadas las celdas se procede a desarrollar el circuito de medición para poder
determinar en primera instancia la linealidad de la respuesta obtenida con las celdas y la
constante de la celda.
6.2.1.2 Circuito de medición de Conductividad.
El circuito que se utilizo fue el de ganancia realimentada el cual depende de la conductancia
de la sustancia, solo que con una ligera variación para que el circuito pueda funcionar a
niveles de 3.3 a 0 Voltios. El circuito empleado se muestra a continuación:
Figura 25. Circuito de medición de conductividad.
Donde VGD es una tierra virtual creada con el objetivo de que la celda reciba una señal AC
y está construida mediante un seguidor un par de resistencias en serie del mismo valor como
se muestra en la Figura 26 el cual entregará un valor cercano a 1.6V referidos a la tierra
real.
36
Figura 26. Tierra Virtual VGD
La señal AC que alimentará la celda será una señal cuadrada proveniente de uno de los pines
del microcontrolador la razón por la que no se utiliza una señal senoidal es para ahorrar más
componentes y reducir los costos; como el voltaje que verá la celda es pequeño y la frecuencia
es mayor a 5Khz la señal cuadrada es aceptable en este caso.
Debido a que se trabajará con una única fuente de 3.3V es necesario considerar un
amplificador operacional de precisión Rail-To Rail tanto en la entrada como en la salida, por
ello se escogió el OPA2316-Q1 de TI el cual tiene las siguientes características:
Rango de la fuente de Voltaje 1.8V a 5.5V
Corriente inactiva 400 µA/Canal
Ancho de Banda 10 MHz
Slew Rate (V/us) 6
Ruido 11 nV/√Hz a 1KHz
Corriente de Bias ±5 pA
Voltaje de Offset ±0.5mV
CMRR (dB) 80
Arquitectura CMOS
Tabla 10. Características OPA2316-Q1
A pesar de que el operacional es de arquitectura CMOS tiene una alta protección a las
ESD/HBM y posee filtros internos contra los FMI/EMI.
Tiene características muy similares al AD8607 de ANALOG DEVICES, pero su costo es
más reducido con un precio de $1.66 dólares equivalentes a $4980 pesos colombianos
comparados con los $2.65 dólares equivalentes a 7950 pesos colombianos.
Una vez adquirido los operacionales se monta el circuito en protoboard mostrado en la Figura
25 y Figura 26 con el objetivo de probar las celdas, utilizando diferentes disoluciones con
conductividad ya conocida. Inicialmente los valores de las resistencias fueron:
𝑅𝑓 = 0.983𝐾Ω ≈ 1KΩ
37
𝑅2 = 0.968𝐾Ω ≈ 1KΩ
𝑅3 = 1.97𝐾Ω ≈ 2KΩ
𝑅1 = 50 𝐾Ω
El primer operacional de la Figura 25 se encarga entonces de reducir el voltaje de la señal
cuadrada a la mitad teniendo como referencia la tierra virtual VGD por lo tanto la señal tendrá
un voltaje entre 2.4 y 0.8 Voltios referidos a la tierra real o 0.8 V y -0.8 V referidos a la tierra
virtual. La razón de esta parte del circuito es para no forzar la salida del micro y para que la
celda vea un voltaje menor.
Del primer operacional tenemos:
𝑉𝑠′ = −𝑉𝑠
𝑅2
𝑅3+ (
𝑅2
𝑅3+ 1)𝑉𝐺𝐷 (15)
Donde Vs es la señal cuadrada proveniente del microcontrolador y VGD es igual a 1.6V, por
lo tanto Vs’ solo tendrá dos valores:
𝑉𝑠′ = {
0.8138𝑉 , 𝑉𝑠 = 3,2𝑉2.3862𝑉 , 𝑉𝑠 = 0𝑉
} (16)
El segundo operacional de la Figura 25 es como tal la ganancia realimentada; como es un
operacional con realimentación negativa los voltajes de las entradas del operacional se
igualaran (V+ = V-), por lo que la celda verá la señal AC.
Del segundo operacional tenemos:
𝑉𝑜 = −𝑉𝑠′𝑅𝑓
𝑅𝑥+ (
𝑅𝑓
𝑅𝑥+ 1)𝑉𝐺𝐷 (17)
La salida del circuito tendrá entonces el siguiente voltaje despejando Vs’ utilizando la
ecuación (16) y VGD:
𝑉0 =
{
0.8 𝑉 ∗ 𝐾Ω
𝑅𝑥+ 1.6𝑉 , 𝑉𝑠 = 3.2𝑉
−0.8 𝑉 ∗ 𝐾Ω
𝑅𝑥+ 1.6𝑉 , 𝑉𝑠 = 0𝑉
}
(18)
Con esta ecuación se puede determinar el valor de la constante de la celda de cada una de las
celdas hechas. Despejando con las ecuaciones (3) y (4) en la ecuación (18):
Si la muestra la tomamos en Vs=0V entonces tenemos que el valor de la salida del circuito
es:
38
𝑉0 = −0.8 𝑉 ∗ 𝐾Ω
𝑅𝑥+ 1.6𝑉 (19)
Despejando de la ecuación (3) tenemos:
𝑉0 = −0.8𝑉 ∗ 𝐾Ω ∗ G + 1.6𝑉 (20)
Despejando de la ecuación (4) tenemos:
𝑉0 = −0.8𝑉 ∗ KΩ
K∗ k + 1.6𝑉
(21)
Donde:
k Es la conductividad.
𝐾 Es la constante de la celda.
Con estas ecuaciones se procede a hacer las pruebas con las celdas diseñadas donde además
se tuvo control de la temperatura manteniéndola entre 25.0°C a 25.5°C de modo que esta
variable no afecte considerablemente la medida tomada, el resultado de las cuentas dadas por
el ADC junto con el valor de la temperatura fueron transmitidas mediante el puerto serial al
computador y en el computador se visualizaba el resultado utilizando el terminal RealTerm.
Figura 27. Visualización en el terminal
Luego se graficaron los resultados de cada una de las celdas, estos resultados se muestran en
la Figura 28, donde se puede apreciar una tendencia casi lineal en cada una de las diferentes
celdas, las variaciones que se tuvieron probablemente se deben a los cambios que sufría el
ADC debido al ruido.
39
Figura 28. Salida del conductímetro
Se observa una línea de tendencia de cada una de las celdas con su respectiva ecuación, la
cual resulta ser muy similar a la ecuación (21), donde podemos deducir que la pendiente de
cada una de las líneas de tendencia es igual a:
−0.8𝑉 ∗ KΩ
K
(22)
Por lo que podemos sacar las constantes de cada una de las celdas, tenemos que para la celda
1 la cual está construida con cobre tiene una constante de la celda:
−800𝑚𝑉 ∗ KΩ
K1= −0,3755𝑚𝑉 ∗
𝑐𝑚
𝜇𝑆 (23)
800𝑚𝑉 ∗ KΩ
K1= 0,3755𝑚𝑉 ∗ 𝑐𝑚 ∗ 1000𝐾Ω (24)
y = -0,3755x + 1635,8
y = -0,5646x + 1526,6
y = -0,4781x + 1663,8
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Vo
ltaj
e (m
V)
CONDUCTIVIDAD uS/cm
SALIDA DEL CONDUCTIMETRO
CELDA 1
CELDA 2
CELDA 3
Linear (CELDA 1)
Linear (CELDA 2)
Linear (CELDA 3)
40
K1 =800𝑚𝑉 ∗ KΩ
0,3755𝑚𝑉 ∗ 𝑐𝑚 ∗ 1000𝐾Ω= 2.13 𝑐𝑚−1 (25)
De igual forma se calcula para las otras celdas:
Donde la celda K2 corresponde a un medidor de TDS
K2 =800𝑚𝑉 ∗ KΩ
0,5646𝑚𝑉 ∗ 𝑐𝑚 ∗ 1000𝐾Ω= 1.4169 𝑐𝑚−1 (26)
La celda K3 construida a partir de dos varillas de acero inoxidable:
K3 =800𝑚𝑉 ∗ KΩ
0,4781𝑚𝑉 ∗ 𝑐𝑚 ∗ 1000𝐾Ω= 1.67329 𝑐𝑚−1 (27)
Con las grafica resultante y las constantes de las celdas se decidió tomar como celda para
este proyecto la celda 3, la cual estaba construida de acero inoxidable, debido a que presento
una respuesta más estable, con la celda de bronce se empezaba a ver que esta se oxidaba y
esto hace que sus parámetros cambien con el tiempo.
Teniendo estos valores se procede a mejorar el circuito de manera que esté en el rango
deseado, en este caso aunque el agua no tenga un propósito en específico se adecua para
poder medir valores entre 0 uS/cm a 2000 uS/cm teniendo en cuenta que el propósito es medir
ríos y no aguas con altas concentraciones de sales o solidos disueltos. El rango seleccionado
es más que suficiente para aguas con propósitos como el consumo humano o la acuicultura.
Como el rango requerido esta entre 0 uS/cm a 2000 uS/cm donde el voltaje correspondiente
será entre 1.6 a 0 Voltios respectivamente obtenemos que la ecuación de la respuesta del
sensor debe ser:
𝑦 = −0,8𝑐𝑚
𝑢𝑆 𝑥 + 1600𝑚𝑉 (28)
Como el factor que multiplica a la entrada depende de la siguiente ecuación:
C = −1,6 𝑅2
𝑅3∗𝑅𝑓
𝐾 (29)
41
Donde C es el factor que buscamos que en este caso es de -0,8 y K es la constante de la
celda
Solo falta remplazar los valores para encontrar unas resistencias que se adecuen a la
necesidad por lo tanto tenemos:
𝑅2
𝑅3∗ 𝑅𝑓 = 0,836645 (30)
Por lo tanto solo basta con cambiar la resistencia de 𝑅𝑓 y dejar las otras resistencias como
se habían planteado inicialmente para alcanzar la constante requerida. El nuevo valor de 𝑅𝑓
es:
𝑅𝑓 = 1,673 KΩ ≈ 1,5 KΩ
Con este valor la respuesta obtenida se muestra en la siguiente figura:
Figura 29. Respuesta del conductímetro
La compensación de temperatura se hace a nivel de software en el programa del
microcontrolador; para ello, se controla la temperatura entre (10 y 45) °C utilizando las
mismas sustancias que se usaron para hallar la constante de la celda, con la respuesta obtenida
se modifica la ecuación del emulador en el microcontrolador.
6.2.2 Construcción del sensor de pH:
Debido a los pocos recursos que se tenían disponibles y que se debían adquirir 2 sensores
para los dos nodos a realizar en el presente proyecto se buscó un sensor de pH económico
que permitiera probar los módulos LoRa para el monitoreo de la calidad del agua. Por ello se
utilizó el sensor de pH de un pH metro de bolsillo de marca KELILONG de referencia 009
(I).
y = -0,8142x + 1634,50
500
1000
1500
2000
0 500 1000 1500 2000
Vo
ltaj
e (m
V)
CONDUCTIVIDAD uS/cm
Respuesta del conductímetro
42
Figura 30. pH-metro de bolsillo marca Kelilong
Tiene un costo aproximado de 33000 pesos colombianos. La razón de su costo es que no está
pensado para uso de tipo industrial, la estabilización de la medida de pH es alrededor de 20
segundos, tiempo de respuesta muy lento comparado con algunos sensores de pH
industriales. Además el tiempo de vida es muy corto; alrededor de 700 horas de uso. Sin
embargo, es suficiente para el en que estará en funcionamiento, y debido a que en los ríos no
hay cambios drásticos de pH no supone mayor problema su tiempo de estabilización.
El primer paso que se realiza es la extracción del sensor para ello se destapa el dispositivo,
una vez se tenga acceso al sensor se procede a caracterizar su respuesta.
6.2.2.1 Caracterización del Sensor de pH:
Para realizar la debida caracterización se empleó un amplificador con ganancia 11 el cual se
muestra en la figura 29 empleando los mismos operacionales que se utilizaron para el sensor
de conductividad debido a que la señal que sale del sensor es demasiado pequeña y para que
el sensor vea una impedancia enorme.
Figura 31. Amplificador no inversor de ganancia 11
Se probaron sustancias con diferente pH a la temperatura de referencia (25°C), el resultado
obtenido fue el siguiente:
43
Figura 32. Respuesta sensor pH amplificado por 11.
Donde se observa una respuesta lineal con offset. Trazando una recta mediante aproximación
lineal vemos que el sensor de pH tiene una respuesta:
𝑌 = −6.7658𝑥 + 216.91 (31)
Con esta respuesta se puede realizar el debido acondicionamiento de la señal para mejorar la
resolución y la precisión.
6.2.2.2 Acondicionamiento del Sensor de pH:
Para poder aprovechar todo el rango de medida del conversor ADC se debe amplificar la
señal, sin embargo, sí se amplifica la señal original también se estaría amplificando el offset
y como es lo suficientemente grande comparado con la variación que sufre por el pH nos
llevaría a la saturación y con un rango muy pequeño en la medición. Por lo tanto antes de
amplificar se debe corregir el offset y para ello se emplea el circuito de la figura:
y = -6,7658x + 216,91
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12
Vo
ltaj
e (m
V)
pH
Sensor pH
sensor pH
Linear (sensor pH)
44
Figura 33. Compensación de Offset
El cual tiene como objetivo sumar un voltaje para alcanzar el voltaje de referencia VGD y
poder utilizar una tierra virtual y así elevar la ganancia sin problemas. La salida PHSO se
ajusta con el Trimmer de manera tal que cuando el valor del pH sea 7 esté en el voltaje de la
tierra virtual (1.6V).
Con el Trimmer ajustado la ecuación cambia de manera PHSO es:
𝑃𝐻𝑆𝑂 = −6.7658𝑝𝐻 + 1600𝑚𝑉 (32)
Con la compensación de offset ya se puede amplificar la señal y teniendo en cuenta la tierra
virtual VGD, podemos invertir la señal, teniendo en cuenta el rango que opera el ADC que
es de 3,3V a 0V pero para no llegar al límite se escoge un valor menor y que el pH varía de
0 a 14 hallamos la pendiente que queremos entonces:
𝑚𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎 =𝑌2 − 𝑌1
𝑋2 − 𝑋1=3000 − 1600
7= 200 (33)
Como PHSO tiene una pendiente de -6.7658 buscamos la ganancia que tenemos que colocar
al amplificador inversor y esta es:
𝑚 =𝑚𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑝ℎ𝑠𝑜
=200
−6.7658= −29.5 ≈ 27 (34)
Con este resultado escogemos el valor de las resistencias del amplificador inversor y
encontramos que:
𝑅𝑓 = 27 ∗ 𝑅1 (35)
45
Por lo que escogemos las resistencias de
𝑅𝑓 = 27𝐾Ω
𝑅1 = 1𝐾Ω
Figura 34. Amplificador inversor en la última etapa.
La salida de este circuito va un pin con conversor ADC del microcontrolador, el circuito
completo se muestra en la figura:
Figura 35. Circuito de acondicionamiento completo del sensor de pH.
El resultado obtenido a la salida del Circuito es:
Figura 36. Salida del Acondicionamiento del sensor de pH
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 5 10 15
Vo
ltaj
e (m
V)
pH
pH ACONDICIONADO
Salidaacondicionador pH
Aproximación lineal
46
Con una ecuación:
𝑝𝐻𝐴𝐷𝐶 = 182,68𝑚𝑉 ∗ 𝑝𝐻 + 322,51𝑚𝑉
6.2.3 Alimentación del Nodo Sensor:
6.2.3.1 Elección de la Batería
Teniendo en cuenta la sección 4.2.3 de este proyecto por términos de eficiencia las baterías
que mejor se desempeñan son las baterías Li-ion y las LiPo. Es por eso que se decide utilizar
una batería de Li-ion de la marca UltraFire de referencia BRC 18650 de 4000mAh a 3.7V la
cual posee las siguientes características:
Baja tasa de descarga.
No sufre del efecto memoria.
Protección contra corto Circuito.
Amigables con el medio ambiente.
Figura 37. Batería UltraFire BRC 18650 3.7V
6.2.3.2 Regulador escogido
Debido a que la batería es de 3.7V y que el voltaje debe ser regulado a 3.3V lo que
significa una diferencia de voltajes muy pequeña se requiere un regulador de voltaje
de Drop-Out bajo, por ello se escoge el regulador MIC5205-3.3, el cual su Drop-out
depende de la corriente de carga como se muestra en la siguiente tabla:
DROP-OUT
(Vin-Vo)
Corriente de
Carga
Drop-Out tipico Drop-Out maximo
100uA 10 mV 50 mV
50mA 110 mV 150 mV
100mA 140 mV 250 mV
150mA 165 mV 275 mV
Tabla 11. Voltaje Drop-Out MIC5205-3V3.
47
El distribuidor garantiza una corriente de carga máxima de 150mA el cual es un valor más
que suficiente para la corriente que necesita el nodo sensor.
El regulador se trabaja con la configuración recomendada por el distribuidor mostrado en la
siguiente figura:
Figura 38. Modo de operación Fijo MIC5205 con ruido ultra bajo
Como las baterías de Li-ion no pueden descargarse por debajo de un valor puesto que de lo
contrario se dañan es necesario implementar un circuito que permita sensar el estado de la
batería constantemente, de manera que cuando la batería este en el voltaje mínimo limite el
microcontrolador se apague y así evitar daños a la batería. Siendo así, el circuito se construye
con dos resistencias en serie conectadas a la batería para reducir el voltaje y que el conversor
ADC pueda leer el paralelo de estas resistencias, el circuito de alimentación se muestra en la
siguiente figura:
Figura 39. Circuito de alimentación del nodo Sensor
6.2.4 Diseño del nodo sensor
Para el desarrollo del Circuito del nodo sensor se hace uso de la herramienta Eagle donde se
diseña inicialmente el esquemático que corresponde a los circuitos de acondicionamiento
de los sensores, este esquemático se muestra en la siguiente figura:
48
Figura 40. Esquemático del acondicionamiento
Se diseña un segundo esquemático que corresponde al micro y a la fuente de alimentación:
Figura 41 Esquemático: Micro y Regulador
49
Posteriormente se unen los elementos, planteando los caminos que se utilizarán, el circuito
fue construido para estar hecho en doble cara y el plano estará conectado a tierra.
El archivo BRD se muestra en la siguiente figura:
Figura 42. Diseño de las placas del nodo sensor
Luego de realizar el proceso se procede a imprimir el diseño sobre la baquelita y se sueldan
los elementos, el resultado se muestra en la siguiente figura:
Figura 43. Circuito del nodo Sensor
50
6.2.5 Diseño del armazón
Como el circuito debe estar sobre el agua es necesario utilizar flotadores y una carcasa que
proteja al circuito del agua y para ello se hace uso de botellas como forma de reciclaje,
además que cumplen con su función perfectamente. La caja de protección entonces contará
con 2 botellas que funcionaran como flotadores y otra más que funciona como protección.
El armazón se muestra en la siguiente figura:
Figura 44. Nodo Sensor.
6.2.6 Código del nodo Sensor
Para programar el microcontrolador MSP430F5529 se implementa la herramienta de
desarrollo de Texas Instrument conocida como Code Composer Studio V7.1. La
programación se hace en lenguaje C a nivel de Registros porque se considera que se puede
lograr un mayor rendimiento que cuando se utiliza alguna API.
Para la programación del nodo sensor se tienen en cuenta los siguientes detalles:
RTC
Como se debe almacenar los datos muestreados y la hora en que los datos fueron tomados,
se necesita hacer uso de un RTC (Reloj de tiempo Real) el cual suministra la hora y fecha
exacta. Se utiliza el RTC del microcontrolador de esa manera se ahorran costos el proyecto.
Generalmente los RTC requieren de un cristal de 32.768 KHz para operar correctamente y el
RTC del micro no es la excepción por lo tanto antes de inicializar el RTC se deberá cambiar
uno de los relojes del micro (en este caso el ACLK) para que este opere con el cristal, si
esto no se hace, el RTC empezará a sufrir retardos o adelantos en la medida que da del tiempo
y esto hará que alrededor de unas horas, la hora suministrada estará atrasada unos segundos,
incluso minutos.
51
Guardado del dato:
Debido a que se requiere un espacio mayor de memoria para almacenar una gran cantidad de
datos, la memoria RAM no es suficiente para este propósito, por esta razón y además de que
es preferible que los datos no se borren si el dispositivo es apagado los datos se guardan en
la memoria Flash.
En el microcontrolador MSP430F5529 las direcciones de memoria están divididas como se
muestra en la siguiente figura:
Tabla 12. Direcciones de memoria del uC MSP430F5529.
Donde las que corresponden a la memoria Flash son la memoria principal que es donde se
ubica generalmente el código del programa y la memoria de información, lo que difieren de
las dos es el espacio de cada segmento donde vemos que la memoria principal tiene 32KB
por cada segmento y la memoria de información 128bytes por cada segmento.
Los segmentos de la memoria de información son muy pequeños para almacenar los
suficientes datos que se requieren para nuestro problema, por lo tanto se usa parte de la
memoria principal y por lo tanto se debe tener en cuenta que porción de esa memoria es
utilizada por el código principal.
Se debe tener en cuenta que el guardado de los datos se hará en dos palabras largas es decir
8bytes en los primeros 4 bytes estará la información de la fecha y la hora del dato muestreado
y su orden figura yendo del bit más significativo al menos significativo se muestra en la
siguiente:
52
Día mes año hora min
Tabla 13. Primero 4 bytes guardados por recolección de datos
Los otros 4 bytes se encargarán de almacenar los datos:
Conductividad pH Temperatura
Tabla 14. Segundo Long Word guardado de la recolección de datos.
El código principal pese a que solo emplea alrededor de 1 KB de la memoria está dispersa
tanto en el bloque A como en el bloque B.
Se escoge trabajar con los bancos C y D, por lo que nos daría un espacio total de 64KB si
cada dato es de 8 bytes (2 long words) se podrían almacenar un total de 8000 datos.
Suponiendo que se realiza 1 muestreo cada minuto en un día tendríamos 1440 datos por lo
que teniendo en cuenta la memoria escogida alcanzaría para 5 días.
De la misma manera si se realiza 1 muestreo cada 5 minutos tendríamos 288 datos por día y
la memoria alcanzaría a almacenar 27 días.
ADC:
Los conversores ADC del microcontrolador MSP430F5529 tienen una resolución de 12 bits
que los hacen precisos en su medición. Tienen 4 modos de funcionamiento que permite tomar
diferente cantidad de muestras a determinada velocidad, puede configurarse para tomar una
sola muestra en un solo canal, tomar múltiples muestras en un solo canal, tomar una sola
muestra en múltiples canales y tomar múltiples muestras en múltiples canales.
Diagramas de Flujo: Teniendo en cuenta estos detalles, el código principal estará descrito
en los siguientes diagramas de flujo a nivel general:
53
Figura 45. Diagrama de flujo del programa principal
Una vez se hayan inicializado todos los bloques, el programa empezará a funcionar a partir
de interrupciones; principalmente la del RTC, el diagrama de flujo de esta interrupción se
muestra en la siguiente figura:
54
Figura 46. Diagrama de Flujo de la interrupción del RTC
6.3 Diseño del Nodo Receptor:
Como el nodo sensor estará conectado al computador y no tendrá sensores incorporados, no
será necesario el uso del microcontrolador; Este nodo solo se encargará de recibir la
información de los nodos sensores. Para la comunicación con el módulo LoRa únicamente
se necesitará de un conversor de serial a USB que opere a valores de voltaje de 3.3V.
6.3.1 Conversor serial a USB:
El conversor serial a USB nos permitirá comunicarnos con el computador mediante el UART
del módulo LoRa. Para esta tarea se escoge el conversor de referencia CP2102 el cual puede
trabajar a velocidades de 300bps a 1Mbps, tiene una fuente de 3.3v por lo que no se requiere
de elementos adicionales para alimentar al módulo Lora.
55
Figura 47. Conversor USB a Serial CP2102
6.3.2 Carcasa del nodo Receptor:
Para proteger los elementos del ambiente y que la presentación del nodo receptor sea
la adecuada se diseña una carcasa a la medida mediante Blender y posteriormente se
imprime mediante una impresora 3D, la carcasa se muestra en la siguiente figura:
Figura 48. Carcasa del Nodo Sensor
6.4.2 Programa del nodo Receptor:
El programa que se encargará de graficar los datos tomados de los dos nodos sensores estará
hecho en Java que es un lenguaje de programación orientada a objetos de uso gratuito.
Este programa se encargará de graficar los datos que lleguen de los nodos, crear archivos
CSV para poder guardar los datos y configurar algunos parámetros de los nodos sensores.
Su funcionamiento consiste en abrir un hilo que constantemente monitoreará la información
que lleve por parte del módulo LoRa el diagrama de flujo de este hilo se encuentra en la
siguiente figura:
56
Figura 49. Hilo en Java.
Las otras opciones serán impulsadas mediante eventos, cuando se presionen los botones del
GUI y se activen las acciones determinadas. La GUI implementada se puede ver en la
gráfica:
Figura 50. GUI del programa en Java
57
7 Pruebas de Campo
Para realizar las pruebas de campo se tomó un punto del el rio arzobispo donde la
localización del nodo sensor se encontraba en las coordenadas latitud 4.624 longitud -
74.062. Para verificar el envío de los datos se encendió el computador conectado en el
sitio conectado al nodo receptor, una vez comprobado el funcionamiento del nodo
sensor se hizo una prueba de distancias donde el nodo receptor se ubicó
aproximadamente a 360 metros de distancias del nodo sensor comprobando de esa
manera el envío y recepción de los datos a una distancia de 360 metros
aproximadamente como se muestra en la Figura 51.
Figura 51. Distancia nodo sensor - nodo receptor
Debido a que la zona no es muy segura para tener una laptop la prueba de distancia solo
duró unos minutos. Sin embargo el nodo sensor permaneció en el lugar por 5 horas
desde las 8:16am hasta la 1:16pm en total se tomaron 300 datos
Figura 52. Nodo Sensor en Rio Arzobispo
58
Los resultados de los datos tomados se muestran en las siguientes figuras:
Figura 53. Temperatura rio Arzobispo
En la figura 53 se puede observar que la temperatura del rio en las horas que se desarrolló el
muestreo varía entre 16.7°C y 19.5°C. Se observa un pico al inicio, pero probablemente sea
mientras se ubicaba el sensor en el agua.
Figura 54. Conductividad rio arzobispo
Figura 55. pH rio arzobispo
59
8 Manual del usuario. El siguiente manual está pensado para dar conocer lo básico del dispositivo diseñado tanto
del nodo receptor como del nodo Sensor.
MANUAL DEL NODO SENSOR:
Figura 56. Nodo Sensor
ESPECIFICACIONES:
RESOLUCIÓN Rango Precisión
pH 0.1 0 – 14 2%
Conductimetro 1 uS/cm 0-2000(us/cm) 5%
Temperatura 0.1°C 0-60 (°C) 5%
Requiere Batería de Li-ion de 3.7V
Alcance mínimo de radio: 100m.
60
-Encender el nodo sensor:
Para encender este dispositivo se utiliza el switch que se puede apreciar en la siguiente
figura:
Figura 57. Botón de Encendido
-Cuando el pulsador está en la posición( O ) el dispositivo estará apagado.
-Cuando el switch este en la posición ( I ) el dispositivo estará encendido.
La única forma de saber si el dispositivo está encendido es que el nodo receptor este
recibiendo la información por parte del nodo sensor, se hizo de esa manera para disminuir el
consumo de energía y reducir el costo del dispositivo.
PARTES DEL NODO SENSOR:
El nodo sensor se dividió en dos módulos, el primer módulo se encarga del procesamiento y
la regulación del nodo sensor y el segundo módulo se encarga del acondicionamiento de los
sensores.
Módulo 1
El módulo 1 se divide en las siguientes partes:
61
Figura 58. Módulo 1.
Donde:
Pines de programación:
Son los pines necesarios para programar el microcontrolador usando
el EZFET Lite de la Launchpad Evaluation Kit MSP430F5529LP o
cualquier otro dispositivo que pueda programar el microcontrolador
MSP430F5529 de TEXAS INSTRUMENT.
Solo se requiere de 4 pines los cuales son:
Alimentación. (3.3V)
Tierra.
RST/SBWTDIO.
TEST/SBWTCK.
Botón de Reset:
Es el pulsador que permite reiniciar el microcontrolador a su estado inicial,
utilizado en el momento en el que el dispositivo no funcione correctamente.
Este pulsador está conectado con un circuito de anti-rebote formado por una
resistencia de 47KΩ y un condensador de 1nF. La Salida del pulsador conecta
al pin RST/SBWTDIO del microcontrolador.
62
Figura 59. Anti-rebote del botón de RESET
Con. Módulos LoRa:
Son los pines que conectan con el módulo LoRa
encargado de la transmisión dos datos al nodo
receptor. Estos pines conectan con la alimentación
y con los pines del puerto UART1 del
microcontrolador, están organizados como se
muestra en la figura.
Pines de alimentación Módulo 2:
Son los pines que alimentan al módulo 2 para su
funcionamiento. Encontramos 3 pines:
3: +3v3 Aseguran una conexión directa con el
regulador
2. P6.4 Conecta con el pin 6.4 del
microcontrolador y está pensado para alimentar
a los operacionales solo en el tiempo en el que
se necesita medir los parámetros de calidad del agua.
1. GND.
63
Pines Sensor Módulo 2:
Son los pines que se encargan de recibir la información
de todos los acondicionamientos de los respectivos
sensores conectados en el módulo 2, estos pines van
conectados directamente con el microcontrolador como
se muestra en la figura.
4.P6.5 este va conectado con el pin del microcontrolador
que genera una señal cuadrada la cual se utiliza para
medir la conductividad eléctrica del agua.
3.P6.6 Este pin va conectado a un pin analógico del
microcontrolador y debe ir conectado a la salida del
acondicionamiento del conductímetro.
2.P6.7 Este pin va conectado a un pin analógico del microcontrolador y debe ir conectado
a la salida del acondicionamiento del sensor de pH.
1.P1.0 Este pin va conectado a un pin digital del microcontrolador y debe ir conectado a
la salida del sensor de temperatura, además va conectado a una de resistencia de pull-up
de aproximadamente 4.7KΩ para el correcto funcionamiento del sensor de temperatura.
Regulador:
Es el circuito encargado de mantener el voltaje que alimenta todo el circuito a 3.3V
disminuyendo así el voltaje que proporciona la batería de 3.7V, este circuito tiene 2
resistencias las cuales corresponderían a R14 y R15 de la figura 57. Estas resistencias se
encargan de atenuar el voltaje de la batería y poder medir directamente el estado de la batería
con un pin analógico del microcontrolador que en este caso es el P6.0.
Figura 60.Circuito del Regulador.
64
Pines digitales adicionales:
Estos pines van conectados al microcontrolador directamente, no tienen una
función en específica, por el momento no se encuentran en uso. Sin embargo
para trabajos posteriores puede que sean utilizados
Puerto Serial adicional:
Son pines adicionales conectados al UART1 del microcontrolador
que para este trabajo no son utilizados. Sin embargo, pueden llegar
a ser usados en trabajos futuros si se agrega algún modulo
adicional.
MÓDULO 2:
Figura 61. Módulo 2.
65
Alimentación Módulo 2:
Son los pines que alimentan al módulo 2 para su funcionamiento:
3.VCC Aseguran que el voltaje recibido vienen directamente del
regulador.
2.VCC2 Debe ir conectado a uno de los pines del microcontrolador.
1.GND
Pines sensor Módulo 2:
Estos pines van conectados directamente a la
salida de los acondicionamientos que se
hicieron para cada sensor y deben ir conectados
a los pines que están dispuestos para este
propósito en el microcontrolador, están
organizados como se muestra en la figura.
4.VS este pin debe ir conectado con el pin del
microcontrolador P6.5 que genera una señal cuadrada la cual se utiliza para medir la
conductividad eléctrica del agua.
3.COND_ADC Este pin va conectado a la salida del acondicionamiento del
conductímetro y debe ir conectado al pin analógico del microcontrolador P6.6.
2.pH_ADC Este pin va conectado a la salida del acondicionamiento del sensor de pH y
debe ir conectado a pin analógico P6.7 del microcontrolador.
1.TEMP_OUT Este pin va conectado a la salida del sensor de temperatura y debe ir
conectado a un pin digital P1.0 del microcontrolador.
Selección de alimentación
Son pines en los que permite seleccionar mediante un jumper tipo PC
la fuente de alimentación de los amplificadores operacionales y de los
componentes del módulo 2. Si el Jumper se encuentra en la posición de
arriba se escogerá a VCC como fuente de alimentación. Si se encuentra
en la posición de abajo seleccionará a VCC2 como la fuente de
alimentación.
66
OPA1:
Este amplificador operacional se encarga en la parte de arriba de
atenuar la señal cuadrada “Vs” proveniente del microcontrolador, la
salida de este operacional es la entrada de la celda de conductividad.
El operacional de abajo funciona como seguidor de voltaje obtenido
de un arreglo de resistencias en serie para generar la tierra virtual
GDV utilizada para el conductímetro y el sensor de pH.
OPA 2 Y OPA 3
Figura 62. Opa 2 y 3.
En el OPA 2 se encuentran las dos salidas de los acondicionamientos tanto el de
conductividad en la parte de arriba como el de pH en la parte de abajo.
67
En el operacional de arriba del OPA2 encontramos un amplificador de ganancia controlada
por la resistencia que se refleja en la celda de conductividad, la salida de este operacional
pasa por un filtro pasa bajos de primer orden.
El OPA 3 realiza la función de compensar el OFFSET presente en la respuesta característica
del sensor de pH, para ello en el operacional de la parte de abajo se encuentra un seguidor de
voltaje conectado a un trimmer que se encargará de ajustar el offset del sensor de pH, la
salida de este operacional se suma con la obtenida con la salida del OPA4 en la parte superior
del OPA 3 y esta respuesta es pasada a la parte inferior del OPA 2 la cual da la ganancia final
al sensor de pH para aprovechar todo el rango de conversión del ADC.
OPA 4
El OPA 4 recibe como entrada el voltaje del sensor de pH y se
encarga de darle una ganancia inicial y hacer que el sensor vea una
impedancia de gran proporción a su salida.
MODULO LoRa
Tanto el nodo receptor como el nodo sensor poseen un módulo LoRa y el respectivo PCB
que se muestra en la siguiente figura:
Figura 63. Modulo LoRa
Los pines que se utilizaron se indican en la misma figura, los otros pines son pines no
conected o pines de entrada-salida de propósito genera.
68
MANUAL DEL NODO RECEPTOR:
Figura 64. Nodo Receptor.
Programa para el nodo Receptor:
Está compuesto por las siguientes partes:
Figura 65. Programa del nodo receptor.
Conectar: Permite conectar con el puerto serial del nodo receptor
Comandos: Permite enviar comandos al nodo receptor.
Configurar Grafico: Permite seleccionar el tipo de dato a visualizar (pH, conductividad,
Temp).
69
Acerca del programa: Brinda información básica del programa.
Grafico: Panel donde se grafica inmediatamente llegan los datos.
Estado: Permite ver los comandos que envía el nodo receptor al computador, o en lo contrario
avisar que no esta llegando información durante cierto tiempo.
Empezar a leer el nodo sensor.
Se abre el programa.
Desplegar la lista de puertos seriales disponible.
Seleccionar el puerto correspondiente al del nodo sensor, tal como se
muestra en la siguiente figura:
Una vez se selecciona el puerto se presiona conectar, si este puerto funciona
el botón conectar pasará al siguiente estado:
En ese momento ya estaremos conectados al nodo receptor.
Como primer indicio de que el nodo está transmitiendo, podemos revisar la
caja de texto que aparece en la parte inferior de la aplicación, si se recibe algún
dato mostrará el dato que envía el nodo receptor al computador:
Si el nodo sensor no transmite durante cierto tiempo el mensaje que aparecerá
en este cuadro es el siguiente:
El código enviado tiene el siguiente orden:
70
Donde:
1. Numero de nodo sensor
2. Indica que los próximos números es una fecha
3. Dia Ej: 28
4. Mes Ej: 07
5. Año: últimos 3 digitos del año Ej: 017
6. Hora Ej: 19 Hora militar
7. Minuto Ej: 22
8. Indica que los próximos datos son información producto de los sensores.
9. Conductividad ej: 76uS/cm
10. pH ej: 7.2
11. temperatura: ej: 18.5°C
Cada parte siempre tendrá el mismo número de dígitos así pues, por ejemplo
en la temperatura siempre serán dos unidades y un decimal.
Una vez recibe el primer dato empezará a graficar quedando el programa de
la siguiente forma:
Si no recibe ninguna señal durante algún largo tiempo se debe realizar los
siguientes pasos en orden:
-Asegurarse de que es el puerto serial correspondiente
-Desconectarse y volverse a conectar en el programa
-Comprobar el estado de la batería del nodo sensor.
-Resetear el nodo Sensor
71
9 Conclusiones
Las principales características del sensor de temperatura DS18b20 no son necesarias para
este proyecto, de hecho el protocolo 1-Wire resulta ser un método de comunicación muy
lento.
Existen diversos parámetros que se deben ajustar para poder lograr un gran alcance con
los dispositivos LoRa tales como el acople de impedancias, una antena de alta ganancia,
la elección de la potencia de transmisión
Una comunicación efectiva no solo depende de los módulos de comunicación y de los
dispositivos a los que está conectado si no el medio en el cual se transmita; Las distancias
alcanzadas por los módulos LoRa en zonas con alta radiación electromagnética son
inferiores a las que se obtienen en zonas no Urbanas
La cobertura resulta ser un poco débil teniendo en cuenta que será utilizado en medios
donde pueden llegar a ser extremos, así que se debe replantear el diseño de la misma. Si
el medio en el que se utiliza es controlado, es decir que las aguas sean más calmadas
como por ejemplo un lago, la cobertura funciona a la perfección.
El rio arzobispo en el punto en que se desarrolló la toma de muestras presenta un pH y
una conductividad que están en el rango de agua potable, aunque en los datos
correspondientes a conductividad se presentaron variaciones sospechosas que pueden
indicar el aumento de los sólidos disueltos. Esto no quiere decir que el agua sea adecuada
para el consumo, debido a que se hace necesarios más parámetros para determinarlo.
Se puede construir una WSN para medir parámetros de calidad del agua con elementos
de bajo costo
72
10Trabajos a Futuro
Para futuros trabajos, se podría aumentar el número de sensores que tendría cada nodo
sensor, los cuales aporten mayor información de los ríos a medir y estos sensores sean
más específicos dependiendo del tipo de uso que se tenga para el agua.
Se debería implementar un sensor de pH con una operación de larga vida, además de
implementar un mecanismo para guardar y calibrar automáticamente tal sensor cuando
no está en uso, con el objetivo de alargar la vida del sensor y no realizar mantenimiento
a los nodos consecutivamente.
Mejorar la carcasa de manera que se pueda utilizar en ríos con un caudal mayor y esté
preparado para posibles eventos como el crecimiento del caudal, etc.
Es necesario también pensar en la protección del nodo sensor contra robos, los cuales se
podrían emplear como mecanismos como cámaras o alguna especie de rejilla que cuando
sea cortada envíe una alerta al nodo receptor.
Se debe mejorar la aplicación Java de manera que sea más amigable para el usuario y
tenga más opciones de configuración del nodo sensor.
73
11 Referencias
[1
] Naciones Unidas, «Calidad del Agua,» 2014. [En línea]. Available:
http://www.un.org/spanish/waterforlifedecade/quality.shtml.
[2
]
Oocities, «Parámetros y características del agua,» 2015. [En línea]. Available:
http://www.oocities.org/edrochac/sanitaria/parametros1.pdf.
[3
]
D. P. K. A. U. Menon y M. V. Ramesh, «Wireless sonsor Network for Rier Water Quality
Monitoring in India,» 2012. [En línea]. Available:
http://ieeexplore.ieee.org.bdigital.udistrital.edu.co:8080/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=65
12437.
[4
]
T. S. M. Kulkarni Amruta M., «Solar Powered Water Quality Monitoring system using Wireless
Sensor Network,,» 2013. [En línea]. Available:
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=6526423&url=http%3A%2F%2Fieeexpl
ore.ieee.org%2Fiel7%2F6520973%2F6526372%2F06526423.pdf%3Farnumber%3D6526423.
[5
]
L.-. X. Z. Dong He, «The Water Quality Monitoring System Based on WSN,» Institute of
Mechanical and electronic information, 2012.
[6
]
R. Y. J. K. R. V. C. C. Milton Rios, «Red de sensores inalámbricos para la medición de
parametros de calidad del agua usada en la crianza de peces amazónicos,» de III Congreso de
telecomunicaciones TElcon-Uni, 2014.
[7
]
K. M. J. Petajajarvi, A. Roivanen, T. Hanninen y M. Pettissalo, «ON the coverage of LPWANs:
range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology,» de 14th International
Conference, Fnland, 2015.
[8
]
F. V. T. Wedt y E. Mackensen, A benchmark survey of long range (LoRa TM) Spreaad-spectrum-
communication at 2.45 GHz for safety applications, Gengenbach, Germany: University of
Applied Sicences Offenburg, Department of Business Adm. And Industrial Eng., 2015.
[9
]
inteliLIGHT, InteliLIGHT LoRa streetlight control Solution, Hungary, Szada, 2016.
[1
0]
Ministerio de protección social, Ministerio de Ambiente, «Resolución numero 2115,» 22 Junio
2007. [En línea]. Available:
http://www.minambiente.gov.co/images/GestionIntegraldelRecursoHidrico/pdf/Legislaci%C3
%B3n_del_agua/Resoluci%C3%B3n_2115.pdf.
[1
1]
Lemtech, «Porque es importante el oxigeno disuelto en el agua,» 2010. [En línea]. Available:
http://www.lenntech.es/por-que-es-importante-el-oxigeno-disuelto-en-el-agua.htm.
74
[1
2]
Bonsai Menorca, «Parámetros de la calidad de las aguas de riego,» [En línea]. Available:
http://www.bonsaimenorca.com/articulos/articulos-tecnicos/parametros-de-calidad-de-las-
aguas-de-riego/.
[1
3]
Wikipedia, «Ph,» [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/PH.
[1
4]
M. Zennaro, «Introducción a las redes de sensores inalámbricos,» Octubre 2010. [En línea].
[1
5]
National Instrument, «¿Qué es una Red de Sensores inalámbricos?,» 22 abril 2009. [En línea].
Available: http://www.ni.com/white-paper/7142/es/.
[1
6]
LoRa Alliance, «What is LoRa?,» 2015. [En línea]. Available: https://www.lora-
alliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRaWAN101.pdf.
[1
7]
LoRa Alliance, «LoRaWAN Specification V1.0,» 2015.
[1
8]
LoRa Alliance, «LoRaWan 101 A Technical Introduction,» [En línea]. Available:
https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_20fe760334f84a9788c5b11820281bd0.pdf.
[1
9]
Wikipedia, «Batería Electrica,» [En línea]. Available:
https://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_el%C3%A9ctrica#Efecto_memoria.
[2
0]
TEXAS INSTRUMENTS, «MSP430F5529,» TEXAS INSTRUMENTS, [En línea]. Available:
http://www.ti.com/product/MSP430F5529.
[2
1]
maximintegrated, «DS18B20,» [En línea]. Available:
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf.
[2
2]
J. W. D. L. Q. D. Yaoguang Wei, «Design of intelligent Conductivity Meter Based on
MSP430F149,» 2010. [En línea]. Available: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-
01061736/document.
[2
3]
OMEGA, «Medidores de pH,» [En línea]. Available: https://cl.omega.com/prodinfo/medidores-
de-pH.html.
[2
4]
MicroChip, «RN2903: Low-Power Long range LoRa(R) Technology Transceiver Module,» [En
línea]. Available: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/50002390C.pdf.
[2
5]
N. Diersing, «Water Quality: Frecuently Asked Question,» Florida Brooks National Marine
Santuary., 2009. [En línea].
