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Colmenas inteligentes

La ganadería representa un sector muy importante en la región, donde la intrusión de la tecnología en las explotaciones ganaderas para la mejora de la producción es en muchos casos insistente, ya sea por desconocimiento, costes o porque la tecnología no se adapta a las necesidades reales de los ganaderos.

En esta ocasión desde el CDTIC hemos querido aplicar la tecnología en la monitorización y control de colmenas, un sector con bastante importancia que no suele aplicar sistemas de monitorización y control como sucede en otros sectores. Para esto hemos creado una colmena que incorpora una serie de sensores capaces de medir parámetros muy relevantes para la gestión de las colmenas como pueden ser el peso, sonido, temperatura, humedad y posicionamiento.


Colmena inteligente

Unidad principal (Bee-IoT)

La unidad principal está compuesta por una placa electrónica que incorpora tanto el módulo de control como el de comunicación y gestión de energía, este dispositivo será el encargado de realizar todo el trabajo de captación de datos, tratamiento y envío.

Este dispositivo también incorpora clemas para realizar el conexionado con la sensórica, que en este caso estará en su totalidad fuera de la caja que alberga la unidad de control principal

Colmena inteligente

La unidad central es una unidad compacta, cuyo núcleo es un ESP32, chip que posee conectividad WiFi y Bluetooth, integra además de una memoria de 4Mb para el almacenaje tanto de programa como de otros recursos.

La placa integra un gestor de carga de batería, un módulo de comunicación LoRa a 868MHz y conectividad para distintos periféricos.

Debido a la gran cantidad de componentes que presenta este diseño y a la imposibilidad de reducir el consumo a un nivel mínimo para hacer que la duración de funcionamiento se extendiera durante varios años, se ha incorporado un pequeño panel solar de 3.5w de potencia y una batería de 2500mA, esto le proporciona al dispositivo una duración aproximada de unas 32 horas de funcionamiento sin ningún aporte de energía solar.

Conectividad

La conectividad es uno de los problemas principales a la hora de desarrollar aplicaciones en entornos remotos, este problema nos ha llevado a replantear el proyecto teniendo en cuenta las posibilidades de conectividad actual y la previsión a futuro, es por ello que hemos utilizado un módulo de comunicación LoRaWAN (radio a 868MHz). Este módulo nos va a permitir utilizar 2 modos de funcionamiento, uno conectado a red mediante un Gateway y otro desconectado de red donde se vuelquen los datos en una unidad central a la espera de su descarga por parte del usuario.

Sensórica

GPS

El GPS es un elemento que aporta geolocalización a la colmena además de poder detectar si se produce un vuelco de la misma, esto además de permitir definir la ubicación exacta de la colmena para poder tener un histórico de posicionamientos, permite añadir un plus de seguridad ante robos o daños producidos por un vuelco de la colmena.

Para obtener la posición se ha usado el módulo GPS NEO M8 de u-box. Este módulo incorpora todo lo necesario para obtener las coordenadas GPS hasta de 4 sistemas satelitales distintos (GPS, Galileo, GLONNAS y BeiDou, entregando mediante conexión serie los datos decodificados de posicionamiento.

GPS Colmena inteligente

Así mismo, incorpora una brújula que le permite reconocer la posición en 3 ejes, lo que permite detectar el vuelco o cambio de orientación de la colmena.

La resolución del módulo GPS es de 2.5m, lo que permite dar el posicionamiento con una resolución más que suficiente. El voltaje y consumo del módulo es más que adecuado, pudiendo funcionar en un rango de 2.7v a 3.6v y con un consumo en funcionamiento normal de unos 50mA, algo soportable por nuestro sistema, aunque elevado para mantenerlo siempre activo, por ello se incorpora un LDO que permite cortar la alimentación del GPS cuando no se está usando.

Célula de carga

La célula de carga es elemento que va a leer el peso de la colmena, este peso será reflejo de la deformación del sensor a la hora de aplicarle un peso o carga. Para el montaje se ha optado por incluir 4 células de carga, ya que el peso de la colmena en producción podría rondar los 60Kg y sería algo excesivo además de menos preciso que si se hiciera con 4 sensores correctamente asentados sobre el terreno.

Célula de Carga - Colmena inteligente

Los sensores de carga utilizados tienen una capacidad de carga máxima de hasta 50kg, por lo que el incorporar 4 de ellos nos permitirá medir un máximo de 200kg, este amplio margen nos va a asegurar la durabilidad del sistema, ya que la carga estándar de la colmena es muy inferior y no dañarán los módulos por sobre carga de peso. En cuanto al control, se realiza con un módulo de pesaje HX711 AD este módulo tiene la particularidad de transformar la señal medida por las 4 células de carga en una señal digital entendible por nuestra unidad de control principal, simplificando en gran medida los ajustes que deben hacerse, ya que tan solo habrá que calibrar el sistema 1 vez referenciándolos con pesos conocidos.

Sensor de Temeratura y Humedad (SHT20)

Se ha elegido el sensor SHT20 por 2 motivos, tener una muy buena resolución y tener un encapsulado muy robusto que aumentará en gran medida su durabilidad en un entorno en el que las abejas lo someterán a condiciones adversas.
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Este sensor es capaz de medir un rango de temperatura de -40 a 125ºC con una resolución de ±0.3 grados y un rango de humedad del 0 al 100% con una resolución de 0.7%. Estas características cumplen con creces las necesidades para el proyecto.

El sensor cuenta con una interfaz digital I2C para realizar la comunicación con el microcontrolador, esto lo hace mucho más robusto a interferencias o posibles problemas de comunicación y asegura cierta estabilidad en las lecturas.

Sensor acústico (piezoeléctrico)

Para el registro de las vibraciones de las abejas se ha optado por usar un piezoeléctrico (como el que se usa en los instrumentos musicales) para captar estas vibraciones y leerlas una vez se amplifiquen a niveles con los que podamos trabajar.

Célula de Carga - Colmena inteligente

El uso del piezo-eléctrico obedece a la necesidad de tener un elemento que responda a pequeñas vibraciones sonoras y que no necesite estar en un entorno abierto o expuesto, ya que este sensor se colocará embutido en la estructura de la propia colmena, algo que lo protegerá de la acción de las abejas, ya que si este elemento estuviera accesible las abejas lo propolinizarían llegando a anular este sensor.

Envolvente

Los dispositivos que se han instalado en la colmena se han diseñado como dispositivos plug & play, esto permite retirar todas las partes mencionadas anteriormente y colocarlas en casi cualquier tipo de colmena sin necesidad de tornillos ni elementos especiales.
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Como puede verse en la figura, la unidad principal esta alojada en una caja hexagonal de diseño y fabricación propia, esta caja es totalmente hermética para evitar filtraciones de agua o polinización por parte de las abejas.

Otra parte muy importante de la estructura que se ha diseñado desde cero han sido las patas, estas patas están diseñadas en 3D y fabricadas en resina, son totalmente estancas y permiten cierto movimiento para reconocer el incremento de peso en la colmena.
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