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Datalogger georeferenciado con memoria SD




  1. Introducción
  2. Materiales y métodos
  3. El microcontrolador
  4. Interfaz SPI
  5. Conexionado de la SD
  6. Sistema de archivos
  7. Conexionado
  8. El display LCD
  9. El teclado
  10. Resultados y conclusiones
  11. Bibliografía

Introducción

Se desarrolló un sistema portátil de adquisición de datos de humedad, que almacena los mismos en una tarjeta de memoria Flash SD junto con la información de la posición geográfica en la que fueron realizadas las mediciones.

El usuario podrá además adjuntar hasta dos comentarios seleccionados mediante un teclado desde una lista visualizable en un display de cristal líquido LCD.

El propósito del proyecto fue el de desarrollar un equipo portátil y económico que permita realizar un mapa de humedad de un terreno, con el fin de efectuar un análisis del suelo para obtener un cultivo óptimo.

Finalmente la totalidad de los datos georeferenciados almacenados en la memoria SD, se pueden observar listados en un archivo de texto (*.txt) creado por el microcontrolador a través del manejo de sistema de archivos FAT16 o desde un software desarrollado, al efecto, en Visual Basic.

El objetivo del presente trabajo es desarrollar una herramienta de análisis del suelo de cultivo para optimizar su rendimiento. Su utilidad radica en la existencia de variabilidad en campo.

Asimismo, tiene como característica principal su sencillez de uso y su bajo costo en comparación con la tecnología de punta que se utiliza hoy en día para efectuar una agricultura de precisión.

Este dispositivo es una alternativa para los métodos que se utilizan en la actualidad para perfeccionar la siembra.

A diferencia de otros mecanismos, este no precisa de imágenes satelitales, las cuales permiten el estudio de la cubierta vegetal o índice foliar para sacar conclusiones.

Otras alternativas, en cambio, realizan una estadística con captadores de rendimiento sobre las cosechadoras. El inconveniente que presentan las mismas radica en que el análisis de las características del suelo se realiza a través de datos obtenidos con la cosecha anterior inmediata, con lo cual se obtiene una predicción aproximada de cómo se encuentra el suelo para la siguiente siembra.

El sistema de adquisición desarrollado es de gran ayuda a la hora de tomar decisiones y permite una gestión de parcelas agrícolas más precisa desde el punto de vista agronómico, medioambiental y económico.

El usuario podrá utilizar la información recolectada para evaluar los distintos ambientes dentro del lote, entender comportamientos de otros parámetros, estimar fertilizantes y predecir la producción de los cultivos.

Una mayor eficacia en la gestión de los cultivos permite al usuario aumentar su competitividad y por ende sus ganancias.

Materiales y métodos

El sistema de adquisición está integrado por el microcontrolador MC68HC908GP32 de 8 bits de la compañía Freescale, de alta performance y bajo costo.

Dicho circuito integrado fue seleccionado por sus prestaciones. Entre las características más importantes se encuentran: módulo SPI, módulo SCI, conversor A/D, módulo KBI, gran cantidad de puertos I/O que brinda flexibilidad a la hora de manejar el display LCD, el teclado, el sensor, la memoria SD, el GPS, etc.

La siguiente figura muestra un diagrama de la comunicación entre el microcontrolador y los periféricos:

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Figura 1

El GPS que su utilizó es el modelo GPS-18 PC de Garmin con interfaz de salida de datos RS232. Para compatibilizar con el módulo SCI de entrada al circuito integrado, fue necesario el agregado de un MAX232.

Por otro lado, el sensor de humedad seleccionado es el SHT21 de la compañía Sensirion, con salida analógica. Igualmente para realizar las pruebas de diseño, el mismo fue simulado utilizando un potenciómetro con salida de 0 a 5V.

El hardware consta de varias placas. En la placa madre se encuentra el microcontrolador, el display LCD, el teclado, el regulador de 5V, el MAX232 y conectores a todos los periféricos para intercambio de datos y alimentación.

El microcontrolador

El microcontrolador de 8 bits MC68HC908GP32 incluye ADC de 8 canales de 8 bits, módulo de interfaz de periféricos serie (SPI), módulo de interfaz de comunicaciones serie (SCI), empaque PDIP de 40 pines, 512 bytes de memoria RAM de datos, 32.256 bytes de memoria flash, entre otros.

Es el encargado de mostrar los datos en el display LCD, almacenar la información transmitida por el GPS, responder a las directivas enviadas por el teclado, codificar el dato de humedad y escribir los datos en la tarjeta flash SD.

El código programado en el chip fue escrito en lenguaje assembler a través del entorno de desarrollo ics08jlz mediante una placa programadora.

La tarjeta Flash SD

La ventaja de utilizar tarjetas SD para guardar los datos recogidos es que son económicas, poseen una gran capacidad de almacenamiento, son fácilmente portables y es posible acceder a la información desde notebooks, pcs, impresoras, etc.

Las mismas pueden trabajar mediante dos protocolos: SPI y MMC (MultiMediaCard). Si bien éste último permite más funcionalidades, se decidió utilizar el modo SPI debido a que es más fácil su implementación.

La comunicación entre la tarjeta y el microcontrolador se realiza a través de comandos predeterminados comunes a todas las memorias SDs que hay en el mercado, por lo tanto el dispositivo será compatible con casi cualquier tarjeta que utilice el usuario (excepto las de High Capacity que operan con un sistema de archivos FAT32).

En la figura que sigue se muestra un ejemplo de lectura de un bloque de datos de la memoria SD:

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Figura 2

Interfaz SPI

La interfaz SPI permite la comunicación entre el microcontrolador y la tarjeta flash SD. Dicho estándar permite un flujo de bits serie, organizados en paquetes de 8 bits, entre un dispositivo maestro y uno esclavo. Ambos dispositivos se encuentran sincronizados mediante una línea de reloj. La transmisión es full dúplex y se realiza mediante un pin data in y uno data out. Además se dispone de una línea de Chip Select para habilitar el intercambio de datos con la memoria SD.

En la siguiente figura se detalla el envío de un comando por parte del master (microcontrolador) a través del pin MOSI (Master Output Slave Input) y la respuesta que recibe de la tarjeta en el pin MISO (Master Input Slave Output).

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Figura 3

Conexionado de la SD

Debido a que la tarjeta utiliza rangos de tensión más bajos que el circuito integrado, fue necesario disminuir las señales de 5V a 3.3V aproximadamente mediante divisores resistivos y un arreglo de diodos.

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Figura 4

A su vez se verificó que el microcontrolador leyera correctamente los datos entrantes en el pin master input ya que maneja un nivel de tensión más bajo de lo recomendable para identificar un bit en alto.

Sistema de archivos

Para poder visualizar la información recolectada desde cualquier ordenador personal sin la necesidad de instalar un software especial, se almacenaron los datos en la memoria SD de acuerdo al sistema de archivos FAT16, que manejan los sistemas operativos de Microsoft.

Para la creación de un archivo de texto en el que se listarán los datos recogidos en campo, es preciso que en el directorio raíz de la memoria SD se anuncie la existencia del archivo de texto y sus atributos. Además se deben escribir ambas FATS de la tarjeta indicando la secuenciación de los clústers (agrupación de sectores de 512 bytes) de datos. El sector FAT2 es sólo una copia de seguridad de lo que se encuentra en FAT1.

En la figura que sigue se puede observar la organización de los sectores de la tarjeta SD:

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Figura 5

Finalmente los datos se escriben en la sección de datos de la tarjeta.

Debido a limitaciones en la memoria RAM del microcontrolador, no fue posible escribir enteramente cada sector de datos, con lo cual en el archivo de texto se observarán secciones de espacios en blanco entre tríos de datos.

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Figura 6

Además, como el tamaño del archivo de texto creado es fijo, puede suceder o bien que haya menos datos, con lo cual se rellena con espacios en blanco, o bien que haya más, en cuyo caso los datos sobrantes sólo se podrán visualizar en el software desarrollado en visual basic.

GPS

El módulo GPS

El módulo de GPS utilizado es el GPS 18 PC de Garmin. La precisión del mismo es menor a 15 metros. Utiliza el protocolo NMEA 0183 y se lo configuró para que transmita la sentencia GPGLL, que da información de latitud, longitud, hora y estatus del dato.

La interfaz para la transmisión de datos es el estándar RS232.

Interfaz SCI

El SCI es un módulo de interfaz de comunicación serie en modo full dúplex, asincrónico y gran velocidad de transmisión. Usa dos pines, uno de recepción y otro de transmisión de datos. Posee un registro de desplazamiento de datos de 11 bits (1 bit de start, 1 bit de stop y permite seleccionar una longitud de carácter de 8 o 9 bits).

El modo de comunicación entre un transmisor y un receptor se puede visualizar en la figura siguiente:

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Figura 7

Conexionado

El MAX232 es el encargado de convertir los niveles de las líneas del puerto serie RS232 del GPS a TTL y viceversa.

La velocidad de transmisión de datos de ambos dispositivos es 9600 baud rate.

En la figura que sigue se muestra el esquemático correspondiente:

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Figura 8

El display LCD

El display LCD utilizado es un display LCD inteligente. Este tipo de display se caracteriza por poseer controladores dedicados, integrados a la estructura de los mismos. Estos mismos efectúan, en forma transparente para el usuario, el control, presentación y mantenimiento de los caracteres.

El display contiene dos tipos de líneas de conexión: las líneas de control y las líneas de datos y comandos. El esquemático de la conexión del display es el siguiente:

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Figura 9

El teclado

Se utilizó un teclado de membrana matricial del cual se utilizaron en total 3 teclas. La función de dos de ellas es desplazarse hacia arriba y hacia abajo en la lista de comentarios a añadir por el usuario visualizables en el LCD. La última, enter, sirve para seleccionar la opción deseada y guardar el dato en la SD.

Para la administración del teclado, el microcontrolador cuenta con un módulo para atender interrupciones de teclado (KBI).

El sensor de humedad

Por medio de un potenciómetro que permite variar la tensión en un rango de 0 a 5V, se simuló el dato de humedad que entregaría el sensor de humedad de salida analógica.

El conversor analógico-digital del microcontrolador posee una resolución de 8 bits y 8 canales de entrada analógica en los pines PTB0 a PTB7. Se seleccionó el canal PTB0 para conectar el sensor y una frecuencia de muestreo de aproximadamente 1 MHz (igual a la mitad de la frecuencia del bus).

Driver en Visual Basic

El driver realiza un acceso a memoria y recoge la información que se encuentra en la sección de datos de la tarjeta SD, prescindiendo del archivo de texto creado.

Para eso, es necesario que el usuario ingrese la unidad de disco en la que se encuentra montada la SD, y se obtiene un listado de los datos en un listview.

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Figura 10

Luego se puede acceder un dato de humedad ideal y un rango aceptable y colorea los ítems de la lista en verde o rojo según se encuentren dentro o fuera del rango esperado respectivamente.

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Figura 11

Además el software permite enviar un e-mail o mensaje de texto a un celular con los datos que el usuario seleccione de la lista y asimismo tiene la posibilidad de agregar un mensaje personalizado, como se muestra en la siguiente figura:

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Figura 12

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Figura 13

Por último se obtiene un mapa de humedad donde se hallan dibujadas las distancias relativas entre las muestras tomadas y, cada punto que representa una medición, se colorea de color verde si se encuentra dentro del rango aceptable de humedad, amarillo si está dentro del doble del rango y rojo si no se localiza en ninguno de los anteriores. La siguiente figura expone lo antedicho:

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Figura 14

Resultados y conclusiones

Se concluye que el sistema desarrollado cumple satisfactoriamente con los objetivos planteados en un comienzo.

Asimismo representa una alternativa innovadora y de bajo costo en relación a los equipos del mercado. Del mismo modo, su sencillez de uso lo hacen un dispositivo ideal para pequeños y medianos productores, presentándose como una opción accesible a la hora de gestionar el cultivo de las parcelas.

A su vez, es importante destacar que sería conveniente perfeccionar el desarrollo hasta aquí alcanzado, el cual constituye sólo un inicio de la creación de un producto tecnológico plausible de venderse en el mercado. Por un lado, sería favorable utilizar un microcontrolador con más memoria RAM para poder mantener almacenados los archivos guardados en la tarjeta flash SD con anterioridad sin necesidad de realizarle un formateado y complejizar el código para obtener un tamaño de archivo de texto dinámico que se modifique según el número de datos ingresados. Por otro lado, sería importante desarrollar una segunda etapa que complemente el proyecto, que incluye efectuar un accionar automatizado una vez recogidos los datos. Es decir, utilizar los datos recogidos para realizar un riego dinámico del suelo, aplicando las dosis exactas de agua para los distintos cultivos sembrados.

Para mejorar el servicio que el dispositivo brinda al cliente, se puede agregar un sensor de pH y así efectuar una caracterización más exacta y precisa del campo bajo estudio. Además, una aplicación de fertilizantes más estricta puede constituir un ahorro económico importante, a la vez de reducir el impacto medioambiental vinculado a la actividad agronómica.

Bibliografía

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  • Jordi Bartolomé. Las tarjetas MultiMedia Card y SD. 1-6-2004. http://www.tolaemon.com/otros/mmcard.htm#comandosmodospi

Enviado por: Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2016.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE, JUAN BOSCH Y ANDRÉS CASTILLO DE LEÓN – POR SIEMPRE"®

 

 

 

Autor:

Cintia A. Bruscantini.


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