Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 3 (4): 206-212. Octubre-Diciembre 2020 https://doi.org/10.37636/recit.v34206212.
206 ISSN: 2594-1925
Sistema de monitoreo en tiempo real de pH basado en
tecnología ZigBee para granjas de camarones, caso de
estudio: San Felipe B.C.
Real-time pH monitoring system based on ZigBee technology for shrimp
farms, case study: San Felipe B.C.
Germán Rodríguez Ávila1, Rafael Iván Ayala Figueroa2, Verónica Quintero Rosas1, Vidblain
Amaro Ortega1, Mario Alberto Camarillo Ramos2, Marisela Ponce Millanes2,
1Departamento de sistemas y computación, Instituto Tecnológico de Mexicali, Av., Tecnológico S/N CP 21376 colonia Elías
Calles, Mexicali Baja California, México
2Departamento de Eléctrica Electrónica, Instituto Tecnológico de Mexicali, Av., Tecnológico S/N CP 21376 colonia Elías
Calles, Mexicali, Baja California, México
Autor de correspondencia: German Rodríguez Ávila, Departamento de sistemas y computación, Instituto Tecnológico de
Mexicali, Av., Tecnológico S/N CP 21376 colonia Elías Calles, Mexicali Baja, California, México. E-mail:
yerman@itmexicali.edu.mx. ORCID: 0000-0002-8927-0124.
Recibido: 26 de Febrero del 2020 Aceptado: 26 de Agosto del 2020 Publicado: 24 de Diciembre del 2020
Resumen. - Se presenta una solución en el monitoreo de las condiciones del pH del agua para reducir la mano de
obra y la mortalidad en los cultivos de camaroneros en el puerto de San Felipe B.C. Se utilizó una red de sensores
inalámbricos basada en ZigBee para monitorear las condiciones críticas y todos los procesos de control donde
realizaron con la ayuda de una serie de microcontroladores PIC16F886 incluyendo código en C en tiempo real.
Este sistema es capaz de recopilar y presentar datos en una interfaz gráfica de usuario (GUI) local. También
permite al usuario obtener información actualizada del sensor de pH vía web y en una aplicación móvil basada en
Android, a través de la conectividad a Internet o en cualquier momento mediante alertas que recibe el usuario al
correo electrónico. De este modo, el sistema minimiza los efectos negativos que causa el cambio repentino del valor
del pH del agua en los camarones, reduce la mano de obra de las granjas. Debido a eso, el sistema propuesto
ahorra el costo de contratar mano de obra y el uso de electricidad. El diseño es de bajo costo que funcionara mejor
para las operaciones en la acuicultura de tamaño pequeño a mediano, ya que no requiere ninguna modificación
en lo absoluto del estanque.
Palabras clave: ZigBee; Acuicultura; Sensor de redes inalámbricas; Tiempo real.
Abstract. - A solution is presented in the monitoring of water pH conditions to reduce labor and mortality in shrimp
crops in the port of San Felipe B.C. A wireless sensor network based on ZigBee was used to monitor the critical
conditions and all the control processes where they were carried out with the help of a series of PIC16F886
microcontrollers including real-time C-code. This system can collect and presenting data in a local graphical user
interface (GUI). It also allows the user to obtain updated information of the pH sensor via the web and in an
Android-based mobile application, through Internet connectivity or at any time by means of alerts that the user
receives to the email. In this way, the system minimizes the negative effects caused by sudden changes in the pH
value of water in shrimp, reduces farm labor. Because of that, the proposed system saves the cost of hiring labor
and the use of electricity. The design is low cost that will work best for small to medium sized aquaculture
operations, since it does not require any modification of the pond at all.
Keywords: ZigBee; Aquaculture; Wireless sensor networks; Wireless sensor networks; Real time.
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1. Introducción
En los últimos años, el desarrollo de la
camaronicultura ha aumentado. El cultivo
exitoso de camarones depende de la gestión y el
monitoreo del pH del agua del estanque.
Actualmente, los agricultores monitorean las
condiciones ambientales del estanque de forma
manual e irregular [1], principalmente de acuerdo
con la experiencia de ellos, se requiere mucho
tiempo y es costosa en términos de mano de obra.
El monitoreo solamente se realiza cuando el
agricultor ha descubierto que los valores de pH
que están establecidos en un rango de 0-14,
cambian drásticamente, es decir cuando los
valores de pH bajan de 7; cuando se produce este
fenómeno, el procedimiento para equilibrar de
nuevo el pH del agua se convierte en una tarea
compleja y costosa. Esto ocurre por un monitoreo
ineficaz.
Recientemente, se cerraron varias granjas de
camarones y se está aplicando la automatización
de la industria dedicada a acuicultura. Sin
embargo, estos modelos requieren un enorme
costo de inversión inicial y solo son adecuados
para empresas agrícolas a gran escala [2]. Estos
modelos están más allá de la capacidad de
inversión de las granjas camaroneras de pequeña
y mediana escala porque se requiere
rehabilitación y reconstrucción de todo el sistema
de estanques. Soonhee Han ha diseñado y
construido un sistema de monitoreo ambiental
para granjas agrícolas [3], y envía alertas cuando
los factores ambientales ya no pueden ser
garantizados. Sin embargo, este sistema se basa
en una red cableada, por lo que la transmisión no
solo es problemática, sino que también es difícil
de expandir.
La camaronicultura en México ocupa el séptimo
lugar en el mundo en producir camarones de
granja según la revista Forbes en el 2018 [10].
Debido a esto, cada vez se ha dado un mayor
énfasis en el desarrollo de tecnología que ayude
a la supervivencia del camarón.
La acuicultura no puede quedarse fuera de los
avances tecnológicos ofrecidos alrededor del
mundo. Además, la necesidad de asegurar el
suministro de alimento ha ido incrementando
debido a la sobrepoblación, lo cual se han
buscado crear sistemas que satisfagan esta
necesidad.
Al examinar las necesidades reales de las
pequeñas granjas camaroneras, se descubrió que
automatizar algunas tareas, nos permite no solo
resolver el problema de los recursos humanos
poco eficaces sino también minimizar el
consumo de energía. La investigación confirma
que los factores como el pH y los niveles de
oxígeno disuelto en el agua son particularmente
importantes, como lo indican los experimentos
de Hugues L y Eric Bernard [2] que obtuvieron
como resultado del estudio de 70 estanques, que
el parámetro de pH es significativo para la
sobrevivencia de los camarones tanto en el mar
como en granjas de camarones. Con base en la
información recopilada, se propone un sistema de
bajo costo, que es realmente interactivo y fácil de
usar para monitorear los estanques de los
camarones. El sistema cuenta con las siguientes
características:
• Monitoreo continuo: El sistema monitorea y
registra la calidad del agua durante todo el día,
basada en una red inalámbrica de ZigBee que
proporciona datos continuos que puede usarse
para identificar tendencias y mejorar producción.
El monitoreo es escalable con cualquier sensor
que mida algún parámetro del ambiente ya sea
temperatura, oxigeno, etc. pero se usó un sensor
que registra el parámetro del pH. Con ayuda de
programación y acceso a internet se pueden
almacenar los datos en una base de datos SQL en
la nube.
• Tiempo real: El sistema está integrado a un
algoritmo en tiempo real (STR) basada en
prioridades (Rate Monotonic, RM [4] o Deadline
Monotonic, DM [5])
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2. Trabajo previo
La acuicultura en el Noroeste de México se
practica en grandes extensiones, de acuerdo con
la Organización de las Naciones Unidas para
Alimentación y Agricultura FAO (2016) [6], la
acuicultura es el sector de producción de
alimentos de crecimiento más acelerado,
actualmente representa casi el 50% de los
productos pesqueros destinados a la
alimentación. Por lo cual es necesario el
mantenimiento de la calidad del agua, ya que esto
es un aspecto esencial de la acuicultura del
camarón.
Nguyen Tang y Tran Trong proponen un sistema
que consiste en una red de sensores inalámbricos
basada en ZigBee, desplegada en el mar con el
propósito de monitorear condiciones ambientales
críticas y todos los procesos de control que se
realizan con la ayuda de una serie de baja
potencia [7]. Este sistema cuenta con:
• Microcontroladores MSP430.
• Interfaz Gráfica de usuario (GUI)
programado en LabVIEW.
• Información actualizada en línea basada
en las hojas de cálculo de Google.
• Servicio de puerta de enlace SMS para él
envió de alertas.
Para asegurar la estabilidad del sistema,
utilizaron tres modelos de nodos; primero, se
creó una red inalámbrica de sensores para
recopilar la información en cada estanque,
después un nodo de control inalámbrico se usó
para controlar el sistema de bombeo de oxígeno
en cada estanque y finalmente, una estación de
administración.
Ellos mismos proponen nuevamente una
solución la cual consiste en un prototipo para
controlar temperatura y los valores de pH
utilizando bombas de agua. El sistema monitorea
el valor de pH y de la temperatura del estado
actual del agua del estanque y cuando los valores
no son los deseados, encenderá la bomba de agua
con el fin de regular y establecer los valores
correctos.
S. Charoenpanyasak, W. Suntiamorntut
propusieron redes de sensores inalámbricos
(WSN) [8] para controlar la temperatura y pH en
los criaderos de camarones. En esta solución se
implementaron nodos Mikros para aplicarse en
granjas de camarones. La plataforma XBee
también se incluyó en el sistema como un cabezal
de clúster y reloj de repetición. El sistema fue
implementado por tres tipos de plataformas:
• Nodo interno llamado Mikros.
• Nodo cabezal de clúster XBee.
• Nodo de control microcontrolador ARM.
Aunque existen sistemas de monitoreo con
sensores en este caso de pH, no se ha establecido
un método en el cual se integre a un sistema de
tiempo real PREEMPT-RT para la obtención de
datos y la toma de decisiones. Lo cual es lo que
se intenta obtener con nuestro prototipo.
3. Metodología
El sistema propuesto utilizó una metodología que
se basa en la red inalámbrica ZigBee y la
implementación de tiempo real PREEMPT-RM.
La figura 1 muestra el diagrama general. El pH
del agua y el manejo adecuado (alimentación y
salud) son los factores críticos que deben tenerse
en cuenta en la cría de camarones.
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Figura 1. Diagrama general del Sistema de monitoreo de
pH.
Con el fin de mantener concentraciones
favorables de pH, se ha desarrollado este
prototipo el cual consiste en tres modelos de
nodos:
• Nodo sensor
• Nodo coordinador
• Nodo publicación
El nodo sensor se compone de los siguientes
elementos: el sensor de pH con un costo de $500
pesos mexicanos, microcontrolador PIC16F886,
un radio XBee modelo pro S2C con un costo de
$800 pesos. El sensor utilizado en el prototipo es
de pH analógico que se muestra en la figura 3, el
cual mediante un conector BNC se conecta al
circuito figura 2
Figura 2. Diagrama general del circuito.
Primero, se creó una red inalámbrica con los
dispositivos XBee (nodo sensor) para recopilar
información en cada estanque, este nodo se
utiliza para obtener la información crítica del
valor de pH.
Figura 3. Sensor analógico de pH.
La implementación de tiempo-real PREEMPT—
RM [3], se realizó un código en lenguaje C, el
cual consiste en 3 hilos POSIX; el primer hilo es
el más prioritario, lee periódicamente de un
puerto las mediciones del sensor de pH y guarda
el valor más reciente en una variable, cuando el
valor registrado por el sensor sobrepase un
umbral definido anteriormente mandará un
mensaje de alerta. El segundo hilo, de prioridad
intermedia, tan solo hace cálculos matemáticos
con tres ciclos anidados. El tercer hilo, el de
menor prioridad toma el valor de medición
obtenía en el hilo 1 y lo almacena en un arreglo.
Se utilizó el protocolo Rate Monotonic y el
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protocolo PIP para administrar el acceso a la
variable compartida.
El nodo coordinador consta de los elementos
como el XBee pro S2C configurado como
coordinador con el software XCTU. El objetivo
del nodo coordinador es recibir los datos
enviados por el nodo sensor, para descargarlos a
una PC para su almacenamiento el cual lo realiza
con el código en C mencionado anteriormente.
En el nodo de publicación, los datos
monitoreados se muestran en una interfaz de
ventana de desarrollo con Visual Code. Los
parámetros recibidos por el nodo de publicación
se muestran en tiempo real, y se envían a un
servidor Web para su almacenamiento como
observa en la figura 4.
Figura 4. Página Web del monitoreo de pH fuente:
http://cachanilla.itmexicali.edu.mx/xbee/muestraTemp.ph
p.
Todos los protocolos inalámbricos utilizados
para comunicarse entre los nodos en los sistemas
de red del sensor se basan en el estándar IEEE
802.11.4 (ZigBee) que se utilizó para este
prototipo porque requiere un bajo consumo de
energía [9].
4. Resultados
Para probar el rendimiento del sistema de
monitoreo y control, se realizaron experimentos
locales y en una granja de camarones en el puerto
de San Felipe B.C, que son una granja de
camarones industrial pequeña como se observa
en la figura 5.
Figura 5. Granja de camarones en el Puerto de San Felipe
B.C.
Los datos monitoreados y almacenados a lo largo
de las pruebas son una gran fuente de
información que permite observar el
comportamiento del parámetro de interés, es este
caso el pH. Para el análisis se utilizó una muestra
de 600 datos, recabados utilizando un muestreo
aleatorio.
Los datos obtenidos por el sensor de pH nos
arrojan una media de 7.56, desviación estándar
de 0.39, máximo de 8.41 y mínimo de 5.8 con
N=600 con un intervalo de tiempo de 8 minutos
por cada lectura obtenida. El mayor número de
observaciones se encuentra en el intervalo de
clase de 7 a 7.5 y 7.5 a 8 con 45% y 35%
respectivamente del total de las observaciones
como se muestra en la figura 6. De acuerdo con
la curva del histograma los datos se ajustan a una
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distribución lógica. El pH del agua en un
estanque de cultivo debe estar entre 7.0 a los 9.0
puntos para que se considere como franja óptima
de producción [3], solo el 3.33% de las
observaciones caen en el intervalo de 5 a 7.
Figura 6. Histograma de pH.
5. Conclusiones
Se muestra el diseño y el funcionamiento del
prototipo de monitoreo inalámbrico de
parámetros de calidad del agua en una granja de
camarón utilizando tecnología ZigBee y sistemas
de tiempo real. Las características más sobre
salientes de este prototipo es que está elaborado
con sistema que convino un sistema de tiempo
real y tecnología inalámbrica basada en ZigBee.
Este prototipo es una opción más para los
productores de granjas de camarones a pequeña
escala que necesiten un prototipo de monitoreo
de pH de confianza y de bajo costo en sus granjas
para las buenas prácticas de cultivo y
supervivencia del camarón.
Este sistema informará al acuicultor los cambios
críticos de pH del agua de los estanques de
camarones de inmediato, lo que permitirá al
acuicultor tomar mejores decisiones respecto al
pH del cultivo del camarón.
El sistema también tiene una gran escalabilidad
para los hogares o las empresas agrícolas a mayor
escala. Actualmente, se continúa probando el
sistema con más variables como, el oxígeno y la
temperatura.
Como trabajo futuro se pretende añadir un
sistema de control al sistema actual, esto con el
fin de mantener en optimas condiciones la
calidad del agua de los camarones.
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Derechos de Autor (c) 2022 Germán Rodríguez Ávila, Rafael Iván Ayala Figueroa, Verónica Quintero Rosas, Vidblain Amaro Ortega,
Mario Alberto Camarillo Ramos, Marisela Ponce Millanes
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