Automatización industrial: control de temperatura y humedad.

Se instalarán sensores en el almacén para garantizar la fiabilidad de los datos con Open Mote B

En las áreas de trabajo, la temperatura y la humedad relativa deben mantenerse en una zona de confort por ley. En este caso concreto, la temperatura del almacén debe oscilar entre 23 y 27ºC en verano, y entre 17 y 24ºC en invierno, con un valor típico de 23ºC. La humedad relativa debe estar entre el 30 y el 70 % durante todo el año, con un valor típico del 50 %.

Los rangos de temperatura y humedad deben controlarse automáticamente: se instalarán sensores en todo el almacén para garantizar que las mediciones sean fiables.

Sumario

Los niveles elevados de humedad favorecen el crecimiento de moho, corrosión y óxido en los productos almacenados. Causan condensación en las paredes, el techo y el suelo, y esto ayuda a crear condiciones adecuadas para la aparición plagas. También pueden generar gastos de seguro adicionales debido a las reclamaciones por moho y hongos por parte de los clientes. Durante el calor del día, la humedad puede estar alrededor del 30 % o menos, pero este dato es engañoso porque la humedad puede alcanzar el 70-80 % durante la noche; por lo tanto, se requiere monitoreo 24/7.

La humedad relativa (HR) está directamente relacionada con la temperatura del aire. Si la temperatura del almacén aumenta, la humedad relativa disminuye y viceversa. La humedad relativa no refleja cuánto vapor de agua hay realmente en el aire, pero indica cómo de cerca a la saturación está el aire. Por este motivo, la humedad y la temperatura deben ser monitorizadas simultáneamente para tener el espectro completo de los datos ambientales.

Project to control a humidity and temperature

Reto de ingeniería

Para determinar el hardware necesario, se deben conocer las condiciones ambientales. En este caso específico, los puntos a tener en cuenta son:

Medidas del almacén: 450x250 metros= 100.000m²
Medición de la temperatura a 0,1ºC y de la humedad relativa a 1 % cada minuto
Los nodos deben ser de baja potencia (> 1 año), económicos (< 100 €) y fáciles de instalar (< 15 minutos)

Visión del almacén

Analizando toda la estructura de las instalaciones, se ha determinado que se deben instalar un total de 11 puntos de recolección de información. En ellos, los datos de humedad relativa y temperatura ambiente se tomarán y enviarán directamente al Gateway.

Además de tomar los datos de temperatura y humedad relativa, los estados RSSI y CCA RSSI se enviarán periódicamente al Gateway para medir el nivel de potencia de las señales recibidas de cada OpenMote B. De esta manera, conoceremos el estado de cada dispositivo: si uno de los módulos falla, se detectarán rápidamente tanto el tipo de error como el módulo incorrecto.

Esquema de desarrollo

A continuación, mostramos la distribución de los 11 puntos de recopilación de datos alrededor del almacén. También detallamos la posición del Gateway (color verde).

Además, hay una tabla adjunta con las respectivas distancias del OpenMote B desde el Gateway.

Sensores de temperatura y humedad

Tabla de distancias desde los OpenMotes al Gateway

Esquema de la distribución de los puntos de recolección de datos

Solución de hardware (nodos sensores)

Cada punto de recogida de datos se compone de los siguientes elementos:

Placa OpenMote B

Texas Instruments CC2538

Atmel AT86RF215

2x baterías AA (3V, 1500 mAh)

Sensores para placa OpenMote

Bosch BME280 (T, RH, P)

Texas Instruments OPT3001 (L)

Sensors have been calibrated with 1-point calibration to remove per-device offset

Solución de Hardware (Gateway)

El Gateway diseñado se compone de los siguientes elementos:

Componentes del Gateway:

Raspberry Pi 3B+ w/Raspbian
3x OpenMote B w/FreeRTO
- SUN-FSK, SUN OQPSK, SUN-OFDM
1x Huawei E3372 LTE w/ SIM Card (Movistar)
Gateway Server w/Python 3
- Serializa datos desde USB y transmite paquetes a través de MQTT

Esquema de hardware

Solución de Arquitectura

El sistema está dentro de la nube; el back-end se implementa en Amazon AWS:

Instancia T2.Micro con Ubuntu 18.04 LTS
- 1x vCPU (Intel Xeon E5-2676@2.4GHz)
- 1 GByte RAM, 8 GByte Disk
Cloud-Server w/Python3 (custom)
- Recibe datos a través de MQTT, agrega paquetes duplicados y realiza la calibración.
Node-Red, Grafana & InfluxDB stack
Realiza monitoreo: agregación de datos, almacenamiento y representación

Esquema de la solución de arquitectura

Instalación

Todo el proceso de instalación se implementa en dos fases:

Primera fase: (16 de julio): se instala el Gateway y 5 sensores de nodos.
Segunda fase (30 de julio): otros 6 sensores de nodos son instalados para completar la implantación.
Se necesitan 10 minutos (máximo) para instalar cada nodo.

Instalación (primera fase)

Instalación (segunda fase)

Operación de la solución

Cada sensor en la red realiza la siguiente operación::

Activarse cada 60 segundos y tomar muestras de los sensores de temperatura y humedad relativa.
Preparar el paquete de datos (datos del sensor) y transmitirlo tres veces (a 100 ms, 650 ms, 1300 ms)
En cada repetición, el paquete se transmite tres veces (FSK, OQPSK, OFDM) con una separación de 50 ms

Operación de la solución

Independientemente de la modulación, cada paquete en la red tiene la siguiente estructura:

Estructura de los paquetes

Es importante considerar que:

Al transmitir, el paquete codifica (FSK, OQPSK, OFDM) y el contador transmite la repetición (1,2,3) para cada módulo de recopilación de datos.
El contador de paquetes aumenta monotónicamente y permite detectar pérdidas de paquetes y restablecimientos de nodos.
Los paquetes se transmiten usando CSMA-CA y CCA, con 3 iteraciones si el canal se encuentra ocupado.
Los paquetes tienen 21 bytes de longitud, pero están encriptados usando AES-128. La PSDU final siempre tiene 32 bytes.
CSMA RETRIES indica reintentos para cada modo; CSMA RSSI indica el ruido del canal al transmitir.

Resultados

Finalmente, se han satisfecho las principales necesidades que el cliente marcó al inicio de este proyecto:

Se ha logrado un sistema en el que cada nodo inalámbrico de recopilación de datos ha costado menos de 100 €.
Las mediciones de temperatura y humedad se obtienen simultáneamente desde los 11 puntos cada minuto.
Gracias al método de suspensión, se ahorra mucha batería de los nodos inalámbricos, por lo que durarán más de un año sin cambiar las baterías.
El tiempo medio de instalación de cada nodo ha sido más corto que el solicitado (15 min): se ha reducido a 10 min.
Además, con el estudio de RSSI y CSMA RSSI es posible saber si alguno de los nodos tiene problemas de transmisión y detectar rápidamente un fallo del sistema.