Redes inalámbricas de sensores para detección temprana de
incendios
forestales
Wireless sensor networks for early detection of forest fires
Byron Oviedo
1
boviedo@uteq.edu.ec
Emilio Zhuma Mera
1
ezhuma@uteq.edu.ec
Ángel Torres Quijije
1
atorres@uteq.edu.ec
María Vicuña Gaibor
1
mbvicuna@gmail.com
Cinthia Solís López
1
cinthiaklop.solis@uteq.edu.ec
Recibido: 1/07/2018, Aceptado: 1/09/2018
RESUMEN
En el presente trabajo se implementa un sistema de detección de incendios forestales
denominado Forest Fire System, en el que se aplica redes de sensores inalámbricos
(WSN). Esta red está constituida por 2 nodos sensores, los encargados de la
detección de humo; conectados a través del protocolo ZigBee (IEEE 802.15.4) con
una estación base (nodo coordinador) el mismo que apoyándose en la tecnología
GSM (Global System for Mobile Communications) enviará un mensaje de texto al
administrador; adicionalmente se encuentra conectado a una aplicación informática
de escritorio que permite mostrar información capturada por la red de forma
amigable y comprensible al usuario final. Finalmente, se implementó la WSN la finca
experimental “La Represa” simulando incendios controlados.
Palabras Clave: redes, sensores, inalámbrica, redes de sensores inalámbricos,
incendios forestales, ZigBee
1
Docentes de la Universidad Técnica de Quevedo. Ecuador
Revista científica Ciencia y Tecnología Vol 18 No 20 págs. 195 - 210
http://cienciaytecnologia.uteg.edu.ec
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del consumo eléctrico empleando servicios en redes Ad-Hoc e loT
ABSTRACT
In this work, a forest fire detection system called Forest Fire System is implemented,
in which wireless sensor networks (WSN) are applied. This network consists of 2
sensor nodes, those responsible for smoke detection; connected through the ZigBee
protocol (IEEE 802.15.4) with a base station (coordinating node) the same as relying
on GSM (Global System for Mobile Communications) technology send a text message
to the administrator; additionally it is connected to a desktop computer application
that allows to display information captured by the network in a friendly and
understandable way to the end user. Finally, the WSN was implemented the
experimental farm "La Represa" simulating controlled fires.
Keywords: networks, sensors, wireless, wireless sensor networks, forest fires,
ZigBee
Introducción
Anualmente en el mundo se queman 350 millones de hectáreas de bosque, así como
se pierden 14,2 millones de hectáreas a causa de la deforestación de acuerdo con un
informe de la Organización de Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura
(FAO, 2016). Según estudios realizados por la NASA y Greenpeace International el
70% de desastres naturales son atribuidos a incendios y tala de bosques.
En el Ecuador, el deterioro ambiental viene dado por los incendios forestales debido
a que influyen significativamente en la alteración y degradación de la calidad de vida
(Galindo, 2005). De acuerdo a los Informes de Situación Diarios, sobre la evolución
de los Incendios Forestales, durante el año 2017, los incendios forestales (INF)
mayores o iguales a 2 hectáreas han ocasionado la pérdida de 13.011,08 hectáreas
de cobertura vegetal, en 929 eventos registrados (Secretaría de Gestión de Riesgos,
2017).
Lo anteriormente mencionado ha causado pérdidas de vidas humanas, flora, fauna y
económicas. Según Alonso (2008), las causas de los incendios forestales en nuestro
país son provocados en un 5% por factores ambientales apropiados para desatar un
incendio, mientras que un 95% son de origen antrópico, debido a negligencias,
desconocimiento o situaciones intencionales.
El documento describe el uso de las redes inalámbricas de sensores o WSN (Wireless
Sensor Network), una tecnología novedosa cuya aparición se debe al desarrollo de
las áreas de la electrónica, sistemas computacionales y de telecomunicaciones. El
potencial de esta tecnología radica en la posibilidad de construir una solución
conformada por Nodos Sensoriales (Motas) receptoras de información para
retransmitirlas hasta un centro de recolección o base central.
El objetivo de esta tecnología consiste en la creación de dispositivos económicos que
puedan ser utilizados masivamente para extraer información del medio y
posteriormente someterla a un análisis con el fin de servir de apoyo en la toma de
decisiones, según la problemática que se esté abordando.
Morillo (2013) muestra una variada compilación de las aplicaciones de WSN tanto
para aplicaciones militares, medioambientales, médicas, entre otras.
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En la Universidad de Córdoba-Colombia, desarrollaron un sistema de monitoreo de
cultivos agrícolas a través de redes inalámbricas de sensores para medir variables
ambientales como humedad relativa, temperatura y radiación solar (UVA-UVB) en el
municipio de Montería (Mercado, 2012).
En la Universidad Católica Andrés Bello, Venezuela, se presentó un proyecto de
investigación que consistió en la implementación de una red inalámbrica de sensores
en los viñedos de una empresa productora de vino en Venezuela para medir velocidad
y dirección del viento, humedad ambiental, humedad del suelo, temperatura,
pluviometría y radiación solar. Para la implementación de la red se utilizó el eKo PRO
Kit compuesto por seis motes con el panel solar, cada mote con sus correspondientes
sensores, la radio base y el Gateway que integra una interfaz gráfica de usuario en
ambiente Web llamada eKoView. En pruebas realizadas para evaluar la duración de
la batería en condición atípica sin luz solar se determinó que los nodos son capaces
de mantenerse activos durante aproximadamente 58 días, sin embargo, hubo pérdida
de datos por la no disponibilidad de energía eléctrica en la caseta (lugar de
alojamiento del Gateway y la radio base); el software eKoView sirvió de apoyo a los
supervisores para verificar el buen funcionamiento de sistemas con el de riego (Flores
et al., 2010).
Hay un trabajo desarrollado por la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
(ESPOCH) en el año 2014 presentó un sistema de detección de incendios forestales
mediante redes sensoriales inalámbricas utilizando la tecnología Zigbee por medio de
Arduino. Dichas tecnologías permitieron crear un sistema denominado Natura Sys
(Ruirui et al., 2010).
En base a esto se diseñó un sistema de comunicaciones para la detección temprana
de incendios forestales mediante redes de sensores inalámbricas, tomando como plan
piloto la Finca Experimental “La Represa” perteneciente a la Universidad Técnica
Estatal de Quevedo; mediante la implementación de una red de dispositivos
sensoriales de bajo costo y mínimo consumo de energía, para de esta forma detectar
presencia de humo, lo que permitirá disponer de una alerta temprana de un posible
incendio forestal.
Métodos
En este estudio empezamos revisando la constitución de las redes inalámbricas de
sensores, las mismas que están formadas por diversos nodos de sensores,
distribuidos a lo largo de un área para ser monitoreada, una de las principales
características de estas redes es que sus nodos son autónomos, capaces de
organizarse y auto-configurarse, es por ello que si se presenta una falla los nodos se
encargan de tomar otras rutas para transportar los paquetes hasta el destino. Hay
diferentes factores que influyen sobre estas redes y es la escalabilidad, el consumo
de energía y un factor mencionado anteriormente como lo es la tolerancia a fallas.
Para el diseño de estas redes WSN existen diferentes arquitecturas, pero estas parten
de la necesidad de una organización de forma distribuida y descentralizada (Mercado,
2012).
Luego se realiza una comparación entre varios estándares para la comunicación
inalámbrica tal como se puede ilustrar en la tabla 1.
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Tabla 1. Comparación de tecnologías Inalámbricas
Fuente: Elaboración propia
Experimentación
Finca Experimental “La Represa” cuenta con diferentes áreas dedicadas a:
investigación, producción y conservación de recursos naturales; permitiendo así que
los estudiantes universitarios puedan realizar sus diferentes prácticas e
investigaciones.
Posee diferentes zonas como: vivero forestal, banco de germoplasma, sistemas
agroforestales, orquideario, área de producción de abonos orgánicos, laguna, área
de cacao, banco de especie, plantación de teca, plantación de pachaco, cultivo de
naranja, plantación de melina.
El clima que prevalece en este sitio es seco-tropical con una temperatura media que
oscila entre los 24 y 33 °C.
Agua: La finca posee tres espejos de agua represados con un total aproximado de
5has. También posee un pozo profundo para el abastecimiento de agua para el área
de vivero.
Flora: Se encuentran establecidas 60 especies forestales en un sitio determinado
(Banco de Especies Forestales), así como también otras especies distribuidas en toda
el área, además se cuenta con: proyectos agroforestales, viveros: ornamental,
forestal y de investigación (forestal).
Fauna: Se producen ovinos tropicales, cuyes, conejos de manera controlada y en
forma natural se cuenta con una gran diversidad de aves de la zona, así como
animales menores en estado natural.
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Tabla 2. Condiciones meteorológicas del área de estudio.
Fuente: Elaboración propia
Diseño de la Investigación
Fase 1: Análisis de la información
En esta fase se realizó un estudio del tema a tratar y su respectivo entorno,
determinando así los incendios forestales como tema principal y con el análisis de
avances, estudios y trabajos realizados sobre el diseño de sistemas de apoyo de
incendios forestales basado en WSN y las diferentes tecnologías existentes para los
mismos, se pudo elegir el hardware adecuado para el presente proyecto.
Una vez obtenida toda la información se procedió a definir los requerimientos tanto
funcionales como no funcionales de los elementos que componen el sistema.
Para efectuar el cumplimiento de esta fase se llevaron a cabo las siguientes
actividades:
Recopilación de información
Se realizó una investigación profunda en diferentes fuentes tales como artículos
científicos, revistas especializadas, estudios y proyectos realizados, también se
hizo uso de la llamada literatura gris o lectura no convencional, que comprende
un sin número de documentos obtenidos de la Web entre ellos el portal de la
IEEE, para determinar el estado del arte de las redes de sensores inalámbricos.
Elección del hardware
De acuerdo a la información recolectada en la actividad anterior referente a las
tecnologías utilizadas en el diseño de las WSN, se eligieron los sensores a utilizar
para detección de humo, así como los elementos necesarios para crear la red
inalámbrica, es decir: los módulos de comunicación, placas de desarrollo, fuentes
de energía, y demás elementos necesarios para realizar las conexiones tales como
adaptadores y cables especiales. Todo esto teniendo en cuenta una de las
características principales de las redes inalámbricas de sensores como lo es el
bajo consumo de energía.
Definición de requerimientos
En esta actividad se identificaron los requerimientos funcionales y no funcionales
a los cuales debe estar sujeto el sistema para cumplir con las especificaciones
planteadas, estos se definieron de una forma clara y detallada a fin de garantizar
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que sean implementados de forma adecuada.
Fase 2: Diseño
Teniendo en cuenta la información recopilada en las fases anteriores se procede a
definir la arquitectura del sistema, así como las herramientas de programación y
configuración disponibles para lograr el desarrollo de las arquitecturas propuestas,
además se elaboraron los diferentes diagramas en los que se plasma gráficamente,
la forma en que interactúan los elementos del sistema.
Arquitectura del sistema
Para el diseño de la arquitectura del sistema en primera instancia se definió la
arquitectura de la red inalámbrica de sensores, estableciendo la topología bajo la
cual va a operar y los protocolos de comunicación utilizados para la conexión
entre los nodos de la red.
Diseño del sistema
En esta actividad se plasmó visualmente cómo está constituido el sistema, por
ello en esta fase se realizaron los diagramas de bloques, de secuencia, relación,
casos de uso, con los que se muestra gráficamente cómo se comporta el sistema
a la hora de realizar las respectivas interacciones con el usuario y cada uno de los
procesos asociados a la administración de la información.
Fase 3: Desarrollo
De acuerdo con el diseño realizado en la fase anterior, se inicia la construcción del
sistema teniendo en cuenta los requerimientos, diagramas y la arquitectura del
mismo definidos anteriormente. En esta fase se realiza la configuración y
programación de cada uno de los elementos que componen la red inalámbrica de
sensores, así como el desarrollo del software que comprende la aplicación de
escritorio, los cuales permiten demostrar de forma comprensible y amigable con el
usuario la información obtenida por la red inalámbrica.
Configuración de la red inalámbrica de sensores
Una vez realizadas las actividades anteriormente descritas se inicia el proceso
relacionado con la configuración de los módulos de comunicación de la red
inalámbrica basándose principalmente en los requerimientos planteados en la
fase de análisis y las especificaciones definidas en la fase de diseño, estas
configuraciones se realizaron por medio de una plataforma que permite la
interacción con los módulos de comunicación necesarios para la red inalámbrica.
Programación de los nodos
Luego de haber cumplido a cabalidad la actividad anterior relacionada con la
configuración de los módulos de comunicación se procede a programar cada uno
de los nodos sensores y nodo coordinador para lograr la comunicación entre los
mismos, además se programan cada uno de los sensores para obtener los datos
de las variables ambientales a medir.
Desarrollo del software
Para esta actividad se desarrolló la aplicación de escritorio realizado siguiendo
paso a paso los procesos definidos en los diagramas, especificaciones de caso de
uso, requerimientos funcionales y no funcionales, tomando como referencia la
arquitectura definida para obtener un óptimo funcionamiento del sistema.
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Fase 4: Montaje y Pruebas del sistema.
En esta fase se procede a ubicar cada uno de los nodos y elementos pertenecientes
a la red dentro del área a monitorear, además de alojar la aplicación de escritorio en
la PC principal. También se realizaron diversas pruebas a fin de comprobar el correcto
funcionamiento del sistema de acuerdo a ciertas acciones realizadas, además se
analizaron y corrigieron los fallos presentados.
Ubicación de los nodos
En esta actividad se ubicaron de manera estratégica cada uno de los nodos dentro
del área de muestreo seleccionada, teniendo en cuenta los rangos de distancias
que abarca cada uno de los nodos en base a los módulos de comunicación que
estos utilizan.
Pruebas del sistema
Una vez ubicados los nodos se procede a realizar diversas pruebas a fin de
comprobar el correcto funcionamiento del sistema. Primero, se verificó la
obtención de datos por medio de los sensores, segundo que existiera
comunicación entre los nodos de la red; tercero, que los datos enviados por los
nodos sensores llegaran correctamente al nodo coordinados; cuarto, se verificó
la correcta comunicación entre el nodo coordinador y la aplicación de escritorio;
por último se realizaron pruebas para verificar la autosuficiencia energética de los
nodos.
Análisis de resultados y corrección de fallos
Luego de realizar las pruebas anteriormente descritas se procede a analizar cada
uno de los datos obtenidos, a fin de verificar que estos si correspondieran a los
requerimientos del sistema previamente establecidos, logrando así identificar
diferentes fallos para su posterior corrección.
Resultados
Para corroborar el adecuado funcionamiento de la red inalámbrica de sensores se
realizaron pruebas en la finca Experimental “La Represa” a través de fuegos
controlados para verificar el funcionamiento de los sensores, la comunicación entre
los nodos de la red con el nodo coordinador y el nivel de autonomía energética de los
nodos.
En esta prueba se realizó la comunicación entre sensores y la aplicación informática
de escritorio, esto a fin de verificar el adecuado funcionamiento de la red inalámbrica.
Se procedió a realizar fuegos controlados a la cercanía (2m de altura) del nodo router
1 y 2. Como se muestra en la figura 1 y 2 los cuales fueron detectados por sus
correspondientes sensores de humo los que accionaron la comunicación con el
software y este emitió la alerta.
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Gráfico 1. Nodo R1 detectando presencia de Humo
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 2. Nodo R2 detectando presencia de Humo
Fuente: Elaboración propia
Como se ha mencionado anteriormente el consumo de energía es un criterio muy
importante en este tipo de redes, por lo cual se realizaron diversas pruebas a fin de
determinar el nivel de autonomía energética.
Para definir el nivel de autonomía energético de los nodos se realizaron pruebas para
determinar la durabilidad de la batería con la ayuda del panel solar, tal como se
aprecia en la tabla tuvo una duración de 35 días (5 semanas), en las cuales la batería
dependiendo del estado climático presentaba carga y descarga. El clima actual
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presente en la Finca “La Represa” es variable, se presentan condiciones de tiempo
mayormente nublado, parcialmente nublado y soleado.
Tabla 3. Promedio de carga y descarga de la Batería
Fuente: Elaboración propia
En la semana 1 se utilizó una batería de 6V 4AH con 2 paneles solares conectados en
serie de 6V- 2W cada uno determinando lo siguiente:
En las pruebas realizadas el porcentaje de carga fue de -3.91% porque el consumo
energético de los equipos utilizados fue mayor a lo generado por las celdas
fotovoltaicas. Por consiguiente durante la noche llega al tope límite (5.79V) lo cual
produjo que el sistema deje de funcionar (10pm) y se determina la no autosuficiencia
del sistema.
En la semana 2 se utilizó una batería de 12V 5AH con un panel de 18V 20W
considerando lo siguiente:
En las pruebas realizadas el porcentaje de carga fue de 6.01% mientras que el de
descarga fue de 15.59% porque la capacidad de almacenamiento de la batería no
satisface el consumo de los equipos. Por consiguiente durante la noche (12am) el
controlador se desconectó al llegar al voltaje de 10.8V que es el valor mínimo para
el funcionamiento según especificaciones técnicas del fabricante.
En la semana 3 se utilizó una batería de 12V 9AH con un panel de 18V 20W lo que
determina lo siguiente:
La figura 3 presenta la evolución de la batería tomando como escenario un día de la
semana en condiciones de tiempo parcialmente nublado, concluyendo que la carga
inicial de la batería fue de 12,45V alcanzado su pico máximo a las 17:00 con 13,56V
indistinto de las condiciones climáticas. Es decir si al amanecer la carga es
considerable, al ocaso mantendrá su voltaje óptimo para su funcionamiento durante
la noche.
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Gráfico 3. Evolución de batería tiempo parcialmente nublado
Fuente: Elaboración propia
En la semana 4 se utilizó una batería de 12V 9AH con un panel de 18V 20W
concluyendo lo siguiente:
La figura 4 presenta la evolución de la batería tomando como escenario una día de la
semana en condiciones de tiempo mayormente nublado, es decir durante el día
recibiendo un porcentaje de carga de 1.20% y durante la noche respondiendo
satisfactoriamente y considerando su autonomía energética.
Gráfico 4. Evolución de batería en tiempo Soleado
Fuente: Elaboración propia
En la semana 5 se utilizó una batería de 12V 9AH con un panel de 18V 20W
concluyendo lo siguiente.
Por último, la figura 5 presenta la evolución de la batería tomando como escenario
un día de la semana soleado, concluyendo que la carga inicial de la batería fue de
11,89V alcanzado su pico máximo a las 16:00 con 12,97V. Es decir si al amanecer la
carga es baja durante días soleados su funcionamiento igualmente será óptimo.
A continuación se aborda los valores resultantes de diferentes parámetros entre ellos
consumo energético, tiempo de respuesta y cobertura obtenidas por el sistema Forest
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Fire System.
Tabla 4. Energía consumida por el equipamiento del sistema
Fuente: Elaboración propia
A continuación se determina un aproximado de la cantidad de nodos necesarios para
abastecer de este sistema a todo el campus Finca Experimental “La Represa”, trabajo
investigativo que debe considerarse en un futuro para un estudio previo.
Gráfico 5. Mapa de la posible ubicación de los Nodos
Fuente: Elaboración propia
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Tabla 5. Aproximación de la cantidad de nodos Necesarios
Fuente: Elaboración propia
Con la finalidad de aportar a la solución de problemas propios de la detección
temprana de incendios forestales vinculando nuevas tecnologías, el presente trabajo
se desarrolló siguiendo la arquitectura del sistema plasmada en la ilustración 8
representada de forma general, la cual consta de una red inalámbrica de sensores
constituida por 2 nodos router que operan bajo una topología tipo estrella, los cuales
se encargarán de tomar la información del medio a través de los sensores y enviarla
hacia el nodo coordinador a través del protocolo ZigBee (IEEE 802.15.4), el nodo
coordinador por su parte recibe dicha información y la presenta en una aplicación
informática de escritorio alojada en el computador del administrador de la Finca
Experimental “La Represa”. Además haciendo uso de la tecnología GSM/GPRS
transmitir un mensaje de texto a los destinatarios.
Gráfico 6. Arquitectura general
Fuente: Elaboración propia
En la arquitectura del hardware se encuentra representada la forma como se
comunican cada uno de los componentes de los nodos que forman parte de la red,
además se muestra como se genera el flujo de la información.
En la Ilustración 7, se observa la arquitectura interna de los nodos sensores,
mostrando sus componentes y la manera en que estos interactúan entre sí. Estos
nodos están formados por 3 capas: la capa de sensado, capa de procesado y
comunicación.
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Gráfico 7. Arquitectura nodo sensor
Fuente: Elaboración propia
Para la alimentación de los nodos sensores se utilizó un controlador solar el cual
posee terminales para batería y panel solar. En un terminal se conecta la batería
recargable con un voltaje de 12V 9AH y en el otro se conecta el panel solar de 18V
20W.
En el gráfico 8 se observa el circuito utilizado para la alimentación del nodo sensor.
Gráfico 8. Circuito de alimentación de nodo sensor
Fuente: Elaboración propia
Por su parte el nodo coordinador a diferencia del nodo sensor, no cuenta con capa de
sensado, como se puede apreciar en la figura 9, pues su función será la de servir
como puente entre los nodos sensores y la aplicación de escritorio.
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Gráfico 9. Arquitectura Nodo coordinador
Fuente: Elaboración propia
Una vez configurados los parámetros de los módulos XBee se observa la topología de
la red, como se aprecia en el gráfico 10.
Gráfico 10. Topología de la red
Fuente: Elaboración propia
A continuación, se especifican las restricciones que tiene el sistema, las cuales deben
tenerse muy en cuenta para lograr que el sistema funcione correctamente:
El sistema se debe implementar en un área en la cual exista cobertura GSM.
El módulo GSM/GPRS/SMS debe usar una SimCard Claro/Movistar, la cual
debe tener activo un paquete de mensajes de texto, para el envío del SMS.
La distancia entre los nodos de la red no debe ser superior a los 120m.
Preferentemente la topografía del terreno debe ser llana.
Debe existir un punto de corriente en la garita del lugar para la conexión de
la PC.
Conclusiones
Se diseñó un sistema de comunicaciones para la detección temprana de incendios
forestales mediante la implementación de una red de sensores inalámbricos con el
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objetivo de mostrar un mecanismo diferente al tradicional que trata estos problemas
cuando el incendio forestal ha causado cuantiosos daños materiales, económicos, de
vidas humanas y un impacto ambiental significativo.
Se implementó un plan piloto en el campus Finca Experimental “La Represa” ubicado
en la ciudad de Quevedo para detección de presencia de humo de un área
determinada provocando incendios controlados por los autores de la investigación
debido que el Vivero Forestal se encuentra en un área húmeda tropical y lo incendios
forestales por lo general se dan en sitios o regiones secas.
Se recolectó la información de forma inalámbrica enviada por los dispositivos
sensoriales hacia el nodo coordinador.
El sistema denominado Forest Fire System está constituido por 2 nodos sensoriales
configurados como nodo router 1 y 2 respectivamente. Se utilizó módulos de
comunicación modelo XBee S2, plataforma Arduino, un controlador solar con
terminales que permiten la conexión de la batería y el panel solar; fuentes de
alimentación de los nodos sensores. El nodo coordinador utilizó una plataforma
Arduino, módulo XBee S2C, Shield GSM/GPRS/SMS para enviar mensajes de texto
en el momento de la detección; conectados directamente al computador mediante
puerto USB en el cual se encuentra la aplicación informática de escritorio.
Se desarrolló la aplicación informática de escritorio para almacenar eventos e
identificar la presencia de humo en el área determinada mediante los sensores. El
software cuenta con el mapa de Google Maps que mediante la librería Gmaps.net,
permitió mantenerlo altamente disponible ante la ausencia de internet o que éste
deje de funcionar. Además cumple con unas de las principales funciones que es emitir
un sonido con el fin de alertar de manera audible el evento. Además, permite registrar
las zonas de riesgo, clasificando los eventos ocurridos.
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