Sistema de monitoreo de espacios verdes urbanos basado en IoT

Vivo en las orillas de una gran ciudad y todavía hay reservas ecológicas con lagos naturales y aves migratorias de todas las especies. Sin embargo, existe una gran lucha entre quienes contaminan y quienes se esfuerzan por limpiar estos lugares. Aquí la gente nos organizamos periódicamente para recolectar basura, podar áreas verdes, limpiar los lagos de nenúfares y botellas de PET, incluso reforestamos más áreas verdes con plantas y árboles para recuperar su riqueza vegetal. Pero esto no es suficiente, por lo que desarrollé un Sistema LoRaWAN con el Arduino MKR WAN 1300, que nos ayuda a monitorear la calidad del aire y agua de la reserva ecológica de nuestra comunidad.

He reemplazado el Gateway comercial con una solución de hardware y software entre Arduino MKR WAN 1300 y Arduino NANO 33 IoT, por lo que este proyecto es original y más barato que cualquier otro. Ahora, las plantas reciben suficiente agua de calidad y nutrientes adecuados gracias al monitoreo de sensores en tiempo real

La contaminación del aire tiene una serie de impactos negativos en el medio ambiente, incluido el daño a la salud humana y los ecosistemas naturales. El Foro Económico Mundial ha declarado que la contaminación del aire es la “forma de contaminación más letal”, mientras que la Organización Mundial de la Salud afirma que en 2016 más del 92 % de la población mundial reside en lugares donde la contaminación del aire supera los límites de salud y seguridad. A pesar de estos hechos increíbles, algunos países, como el Reino Unido, EE. UU., Australia y Nueva Zelanda, están viendo una disminución en la cantidad de contaminación del aire. Aunque los espacios verdes urbanos no son los únicos responsables, es innegable que estas áreas han contribuido al declive general.

¿Cómo funciona?

  1. Recojo datos con sensores como: Humedad, temperatura, Monóxido de Carbono, Dióxido de Carbono, Compuesto Orgánico Volátil (TVOC), Humo, nivel de agua, etc;
  2. Selecciono y preprogramo los intervalos de tiempo en que se monitorea el sistema, y ​​luego pasa a bajo consumo para ahorrar energía;
  3. Estoy usando conexión vía RF a través de frecuencia Carrier LoRa (433/868/915 MHz)
  4. Leo los datos capturados y activo alarmas para que se vean en una pantalla LCD o en una Laptop o PC.
  5. Adicionalmente, este sistema se conecta a la nube de un servidor IoT a través de una placa Arduino NANO 33 IoT.

A continuación les muestro una demostración de este proyecto en acción.

Componentes

CANTIDAD NOMBRE DEL COMPONENTE
2 Arduino MKR WAN 1300
1 Arduino NANO 33 Internet de las Cosas
1 Sensor de temperatura impermeable DS18B20
1 Sensor de calidad del aire MQ-135
1 Sensor de humedad DHT22
2 Antena
2 MonitorKits, Placas y Sistemas de Desarrollo / Núcleos de Propiedad Intelectual
2 BateríaKits, placas y módulos de evaluación y demostración / Kits, placas y módulos de evaluación
1 kit de inicio de arboleda
2 Micro USB
1 Resistencia 47k
2 caso del recinto
4 Prensaestopas
10 Cables puente de extensión hembra/macho
1 Cargador de paneles solares
1 Sensor de agua
1 Sensor de humedad del suelo
1 Sensor de llama
1 Termómetro infrarrojo – MLX90614
1 Matriz de infrarrojos – AMG8833

Resumen

A continuación, le muestro el resumen del proyecto y las lecciones aprendidas de esta solución rentable:

Empezando

Aquí describo las características técnicas de la placa Arduino MKR WAN 1300, la instalación de la placa en la aplicación Arduino IDE, así como la actualización del firmware. Finalmente, probamos el código de demostración de Blink.ino para verificar si las placas funcionan bien.

Comunicación entre dos MKR WAN 1300

Aquí empezamos por lo más básico, que es la comunicación punto a punto entre dos placas Arduino MKR. El transmisor envía datos desde el sensor Waterproof DS18B20, y cada vez que el receptor recibe datos, un LED en la placa parpadea y el puerto serie nos muestra la temperatura del sensor.

Pruebas de rango del sistema LoRaWAN

La siguiente prueba es verificar la calidad del enlace entre el transmisor y el receptor. Así que hago una comparación entre diferentes antenas RF, y finalmente las que mejor desempeño mostraron son las antenas dipolo del fabricante. Es importante cuidar este detalle para evitar malas comunicaciones RF o mensajes corruptos.

 

Montaje del transmisor

Es hora de ensamblar el módulo transmisor y agregarle una pantalla LCD. Aquí he utilizado la carcasa y la retroiluminación Grove-LCD RGB, y los pasos de montaje se pueden encontrar en este tutorial.

Montaje del receptor y  prueba de campo de LoRaWAN con un sensor DS18B20

También he agregado los pasos para ensamblar el módulo receptor con una pantalla LCD de 20×4 en esta sección como se muestra en la imagen a continuación. Una vez que hayamos ensamblado los módulos de transmisor y receptor LoRaWAN, es hora de probarlos en el campo. Como prueba preliminar, hice una verificación de hardware y software antes de salir al campo.

Adición de varios sensores: DS18B20, DHT22 y MQ-135

Todavía seguimos con los enlaces punto a punto entre dos placas Arduino MKR WAN, pero esta vez lo haremos con múltiples sensores. He agregado los sensores de humedad DHT22 y el sensor de calidad del aire MQ-135 al módulo transmisor. Aquí he usado un método para unir los datos usando el carácter de coma.

Modificación del código del receptor para múltiples sensores y  prueba de campo de LoRaWAN con múltiples sensores

Aquí te muestro cómo modificar el código del módulo receptor para separar los datos de múltiples sensores y mostrarlos en la pantalla LCD de 20×4. Todo usando código y el carácter de coma para separar los datos. Una vez que hayamos ensamblado los módulos de transmisor y receptor LoRaWAN usando múltiples sensores, es hora de probarlos en el campo. Además, como prueba preliminar, realicé verificación de hardware y software antes de salir al campo.

Cómo conectar LoRaWAN a un proveedor de IoT a través de Arduino NANO 33 IoT

En esta sección les muestro una manera económica de hacer una conexión IoT con nuestras placas Arduino MKR WAN 1300. Es decir, a través de la placa Arduino NANO 33 IoT. Aquí les muestro la información teórica y la referencia que me respalda.

Conexión LoRaWAN e IoT

Aquí les muestro los cambios que se deben realizar en hardware y software para lograr la conexión a un proveedor de IoT, y utilizando un sistema de múltiples sensores. He modificado el código del módulo receptor para conectarlo a la placa Arduino NANO 33 IoT teniendo en cuenta la explicación que os mostré en el capítulo anterior. También os muestro el código de la placa Arduino NANO 33 IoT para conectar con el proveedor ThingSpeak IoT, pero podéis hacerlo con cualquier otro proveedor IoT. Tenemos varias opciones para monitorear estos datos: a) en la pantalla del módulo transmisor y receptor, b) en la PC conectándose al canal compartido de ThinSpeak, y c) a través de la aplicación Android ThingView.

Prueba de conexión LoRaWAN e IoT

En el capítulo final podemos ver las pruebas de verificación de hardware y software, así como las pruebas de campo. Esta fue una buena experiencia ya que aprendí a mejorar la calidad de la señal colocando el módulo transmisor en diferentes árboles hasta conseguir la mejor recepción.

¿Qué sigue para este proyecto?

El próximo desafío es agregar más características como se muestra a continuación:

He reorganizado los módulos transmisor y receptor para que su trabajo sea más eficiente. En el modulo transmisor necesitaba un espacio mayor para conectar el panel solar, y además no doblar demasiado la antena y evitar el riesgo de desconectarla, por eso saqué el “pasacables”, también he reemplazado los “pasacables” de los sensores DHT22 y MQ135 para los de mayor diámetro para colocar aquí los futuros sensores que voy a añadir. En el módulo receptor he reorganizado las placas de programación para poder añadir una batería de mayor potencia, también he añadido unos agujeros para hacer conexiones al exterior ya sea para alimentación o para conexión a un PC.

Estoy tratando de adaptar una celda solar para recargar la batería cuando el sistema está en modo de espera. Hasta el 20 de octubre recibí un cargador de panel solar de 10 vatios (Salida: USB 5V, 1200mA) por mensajería. Es ideal para recargar la batería del transmisor y hacer pruebas de carga.

Estoy tratando de agregar tantos sensores al módulo transmisor como sea posible. Por ejemplo, también recibí los siguientes sensores: sensor de agua, sensor de humedad del suelo, sensor de llama,  termómetro infrarrojo – MLX90614 y matriz de infrarrojos – AMG8833 .

Una cosa importante es encontrar un área segura donde monitorear nuestro sistema con el módulo receptor. Para lograrlo, recorrí el área ecológica de mi comunidad y encontré un módulo de habitación perfecto para esta tarea, como se muestra en la imagen a continuación. Solo tengo que pedir permiso a la autoridad local para hacerlo.

Prueba de conexión LORAWAN e IoT

En el video a continuación les muestro dos pruebas realizadas: a) en la primera, el transmisor y el receptor están dentro de una habitación para verificar que todo funciona bien; b) en el segundo, el transmisor se coloca en la reserva ecológica.

Mediciones

Instalación del sistema en un árbol.

Lo que puedo garantizar es que estoy extasiado con la belleza de la naturaleza. A continuación se muestra una captura de pantalla con la aplicación ThingView.

Aquí hay un ejemplo de captura de temperatura con la plataforma ThingSpeak

Ahora una captura de pantalla de la humedad relativa.

Y finalmente una captura de la contaminación por dióxido de carbono.

Esta zona tiene niveles bajos de contaminación en este momento. Debes saber que ThingSpeak también puede darte el mapa del área siempre y cuando le des las coordenadas GPS.

Transmisor LORAWAN

A continuación les muestro el diagrama esquemático del transmisor con múltiples sensores.

Receptor LORAWAN

A continuación les muestro el diagrama esquemático del receptor. Dispositivo

Codigos fuentes y esquemáticos:
https://github.com/guillengap/environmental-toolkit-for-an-ecological-area

 

Acerca de Guillermo Perez Guillen 1 Article
Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (ECE), involucrado en la investigación, diseño, desarrollo y prueba de equipos electrónicos utilizados en varios sistemas.

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