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  • SISTEMA DE CONTROL REMOTO INALÁMBRICO PARA RIEGO,BASADO EN PC ENRIQUE SALVADOR FERNÁNDEZ GARCÍA INGENIERO TÉCNICO INFORMÁTICA DE SISTEMAS
  • ÍNDICE • Introducción y Objetivos. • Antecedentes en los sistemas de riego. • Diagrama general de un sistema de riego. • Implementación del sistema. • Tecnologías empleadas. • Comparación con otras alternativas.
  • Introducción y Objetivos •Hasta hoy: •Gran parte de los sistemas eléctricos/electrónicos pueden ser controlados remotamente. •Podemos diferenciar entre control remoto cableado ó inalámbrico. •Ejemplos: •Grúas industriales(cableado). •Televisores, reproductores de dvd,…etc.(inalámbrico) •Aires acondicionados.(inalámbrico) •Actualmente: •Se investigan nuevos campos sobre los que aplicar este tipo de control. •Uno de estos campos es el hogar y como aplicación nace la domótica.
  • Introducción y Objetivos •¿Qué es la domótica?: La automatización y control centralizado y/ó remoto de aparatos y sistemas eléctricos/electrotécnicos en la vivienda. •Objetivos principales de la domótica: • Aumentar el confort. •Ahorrar energía. •Mejorar la seguridad. •Ejemplo: los sistemas de riego centralizado tanto en edificios como para zonas particulares. •Nos centramos en estos sistemas aportando mejoras sobre el mismo en base a unos objetivos preestablecidos: •Facilitar el uso del sistema. •Proporcionar un ahorro en tiempo/recursos.
  • Introducción y Objetivos
  • Antecedentes en los sistemas de riego •Los sistemas de riego nacen como necesidad al reparto de agua por zonas destinadas al cultivo u ocio. •A groso modo, en un sistema de riego, podemos distinguir: •Etapa de control.(condiciones y órdenes) •Etapa de actuación.(ejecución órdenes) •Línea evolutiva según la etapa de control: •Control y actuación manual(usuario) •Control automático y actuación automática(agente externo)
  • Antecedentes en los sistemas de riego •Agentes externo:(ejemplos) Ventajas: •Instalación rápida y fácil. •No requiere instalaciones adicionales. Desventajas: •Controla 1 rama de riego. •Necesidad de desplazarse hasta la ubicación del programador.(grifo-toma de agua). Ventajas: •Permite controlar hasta seis zonas de riego. •El programador puede ser ubicado en cualquier lugar (no exterior). Desventajas: •Instalación algo laboriosa (líneas de cableado de electroválvulas hasta ubicación programador).
  • Antecedentes en los sistemas de riego •Clasificación según el sistema de dosificación de agua(zonas comunes y/o particulares): Riego por Aspersión: Para regar grandes superficies de vegetación. Riego por Difusión: Rocía el agua en gotas de forma similar al efecto de la lluvia. Riego por goteo : Libera gotas de agua a través de los agujeros de una tubería plástica situada sobre ó debajo de la superficie de la tierra.
  • Diagrama general de un sistema de riego •De manera abstracta, sin tener en cuenta la implementación, podemos dividir todo sistema de riego en tres bloques: Estos tres bloques: •Están comunicados en serie siguiendo el orden establecido. •Cada bloque se comunica con los bloques adyacentes de manera bidireccional, es decir, pudiendo recoger datos de un bloque adyacente y/ó enviando ordenes/datos hacia este.
  • Diagrama general de un sistema de riego •Bloque de Control: (controla el sistema) •Funciones: •Toma decisiones en base a la información: •Obtenida del Bloque de Riego. •Preestablecida en el mismo Bloque. •Genera las órdenes que serán enviadas al Bloque de Riego. •Bloque de Comunicación: •Funciones: •Comunica el Bloque de Control con el Bloque de Riego de manera transparente. •Trasvasa la información entre el Bloque de Riego y el Bloque de Control.
  • •Bloque de Riego •Funciones: •Recibir las órdenes enviadas por el Bloque de Control. •Ejecutar las órdenes recibidas. •Enviar información de estado/medidas al Bloque de Control. Diagrama general de un sistema de riego
  • Implementación del sistema La siguiente figura muestra al detalle la implementación de cada bloque descrito en el punto anterior: •Unidad Funcional de Control (implementación del Bloque de Control). •Unidad Funcional de Comunicación (implementación del Bloque de Comunicación). •Unidad Funcional de Riego. (implementación del Bloque de Riego).
  • Implementación del sistema Unidad Funcional de Control: •Diseño basado en PC. •Aplicación de alto nivel (java) para el telecontrol del sistema de regadío. •Comunicación vía RS-232 con la Unidad Funcional de Comunicación.
  • Implementación del sistema Unidad Funcional de Comunicación: •Diseño mediante 2 módulos emisor/receptor basados en tecnología ZigBee: •Conexión a la Unidad Funcional de Control. •Conexión a la Unidad Funcional de Riego. •Bajo consumo gracias al estado de standbay mientras los módulos no transmiten.
  • Implementación del sistema Unidad Funcional de Riego: •Implementación mediante microcontrolador de 8bits C8051F340:(lógica) •Empleo de un relé Finder 30.22.9.005.0010 para activar/desactivar la electroválvula: •Sensado de humedad/temperatura mediante un sensor Sensirion SHT75.
  • Unidad Funcional de Riego: •Para la conectividad del sensor y el relé a nuestro microcontrolador hemos diseñado un pequeño circuito siguiendo el siguiente esquema: •Notas sobre la interface: •Transistor BC337(Activación relé). •Diodo 1N4007(Free Wheel, protección transistor). •Resistencia 2,7k base transistor. Implementación del sistema
  • Tecnologías empleadas •Empleo de tecnologías: •Microcontroladores. •Tecnología de comunicaciones ZigBee. •Sensor humedad/temperatura SHT75. •Tecnologías software: •Tecnologías software para el PC: Java, Sql, Apache server. •Tecnologías software para placa desarrollo: Compilador Kein para lenguaje C. Microcontroladores: •Computador monochip(C8051F340) de 8 bits. •Arquitectura Harvard. •Integran al menos 3 unidades funcionales: •CPU •Unidad de memoria •Unidad entrada/salida •… •Bajo consumo/coste energético. •En nuestro caso: •Empleo de UART para comunicación con la Unidad Funcional de Comunicación. •Uso de timers. •Hacemos uso de interrupciones. •32 lineas I/O repartidas en 4 puertos: P0,P1,P2,P3. •Usamos P0.6(DATA),P0.7(SCK) y P1.3(Relé).
  • Tecnología de comunicaciones ZigBee: •Especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para uso mediante radio difusión digital. •Basado en el estándar IEEE 802.15.4 de Redes de Área Personal. •Destinado a aplicaciones que requieren: •Comunicaciones seguras. •Baja tasa de envío de datos. •Bajo consumo energético. •Especial interés para domótica.(bajo consumo, topología red malla, fácil integración) •Utiliza la banda ISM para usos industriales, científicos y médicos: •868 MHz en Europa.(empleamos esta). •915Mhz en Estados Unidos. •2,4 GHz en todo el mundo. •Velocidad de hasta 250 kbps. En el caso de ZigBee 868 24kbs debido a limitaciones en España: •No hay limitación de potencia.(límite muy alto). • Hay limitación en tiempo de uso de la banda(relación de 1/10 de la unidad de tiempo). Tecnologías empleadas
  • Tecnologías empleadas Sensor humedad/temperatura SHT75: •Sensado y procesamiento de señales en un formato compacto. •Sensor capacitivo para muestrear la humedad relativa. •Sensor de banda prohibida (band-gap) para muestrear la temperatura. •Salidas digitales totalmente calibradas. Sensores a un convertidor AD de 14 bits de resolución y un circuito interface serie. •Coeficientes de calibración programados en memoria OTP integrada en el chip. Estos coeficientes son usados internamente para calibrar las señales desde el sensor. •Pequeño tamaño y bajo consumo. •Inteface serial cableada con dos hilos (DATA y SCK).(programación) •Rango alimentación 2,4v-5,5v. •Condiciones de operación: •La humedad relativa guardan una fuerte dependencia con la temperatura. Por lo tanto , es esencial guardar la humedad del sensor a la misma temperatura del aire sobre el cual se va ha realizar la medida de humedad
  • Tecnologías empleadas Tecnologías software para el PC: • Java: •Lenguaje de programación orientado a objetos, desarrollado por Sun Microsystems a principios de los 90. •Aplicaciones típicamente compiladas en bytecode. •Las aplicaciones son interpretadas en la Máquina Virtual de Java. •Los programas escritos en el lenguaje Java pueden ejecutarse igualmente en cualquier tipo de hardware, bien se trate de un procesador general ó bien se trate de un procesador con soporte para Java. •El lenguaje en sí se estructura en clases y reglas jerárquicas entre ellas. •Gran cantidad de recursos para el desarrollador. •Hacemos uso de la librería GYOVINET para dar soporte de comunicación vía serie a nuestra aplicación de control. •Apache server y sql: •Sql: •Lenguaje de consulta estructurado y declarativo para acceso a base de datos relacionales. •Empleo de consultas con el fin de recuperar de forma sencilla información de interés. En nuestro caso información sobre los programas de riego establecidos por el usuario. •Apache server: •Servicio para dar acceso a base de datos. •Sirve la base de datos a la aplicación java.
  • Tecnologías empleadas Tecnologías software para el PC:
  • Comparación con otras alternativas Nuestro sistema Sistemas de riego gobernados por control remoto cableado(programador) VS •Criterios de comparación: •Tiempo y coste empleados para la instalación del sistema. •Tiempo empleado para la configuración del mismo. •Mantenimiento. Tiempo y coste empleados para la instalación del sistema: Sistema convencional: •Necesario un cableado que comunique la Unidad Funcional de Control con la Unidad Funcional de Riego.(electroválvulas--programador) Nuestro sistema: • No es necesario dicho cableado puesto que el enlace es inalámbrico. Ventajas: •Ahorro en coste de cableado y en tiempo de instalación del mismo. Inconvenientes: •Inversión adicional en ambas unidades funcionales: •Se sustituye el programador por un PC. •Hay que complementar inalámbricamente la Unidad Funcional de Riego.
  • Tiempo empleado para la configuración del mismo : Sistema convencional: •Configuración laboriosa puesto que: •Ni todos los programadores funcionan de la misma manera. •Ni todos los programadores se configuran de igual forma. Nuestro sistema: •Interface gráfica intuitiva que facilita en gran medida la configuración. Ventajas: •Ahorro en tiempo de configuración. Inconvenientes: •El usuario tiene que estar familiarizado con el manejo del PC. Comparación con otras alternativas Mantenimiento: Sistema convencional: •Mantenimiento del cableado que puede deteriorarse. Nuestro sistema: •Mantenimiento de la Unidad Funcional de Riego(PC). Ventajas: •Ahorro del mantenimiento del enlace. Inconvenientes: •El PC resulta ser una solución menos robusta que un programador específico. Por lo tanto hay que realizar un mantenimiento periódico.