En este artículo, detectaremos un incendio forestal utilizando una red de sensores IoT y fabricaremos un dispositivo portátil que funciona con baterías. Obtener información oportuna sobre el riesgo de incendio en un bosque puede prevenir la propagación de incendios forestales. La red de sensores puede proporcionar la ubicación específica del incendio, ya que sabemos dónde están instalados los sensores.
Analicemos cómo detectaremos la ubicación exacta de un incendio forestal mediante la red de sensores de IoT.
Objetivo
1. Detectar: detectar el incendio forestal
2. Informar: informar al servidor
3. Localizar: localice el lugar donde ocurrió el incendio.
4. Reaccionar: alertar al equipo de incendios forestales
Arquitectura
Figura 1.
Figura 2.
Estrategia
1. Podemos dividir el bosque en 'N' no. de áreas como se ve en la Fig. 1.
2. Cada área se divide nuevamente en cuatro celdas: A, B, C y D. Cada celda tendrá varias unidades de detección, como se muestra en la fig. 2. Los sensores no están distribuidos uniformemente; Algunos sensores están en mayor cantidad que otro sensor.
El propósito de utilizar una cantidad desigual de sensores:
Algunos parámetros ambientales no cambian rápidamente y pueden ser detectados por menos sensores en un área grande.
3. La unidad del sensor consta principalmente de tres partes:
– Unidad de sensores
– Unidad RF (radiofrecuencia) con (controlador incorporado)
– Unidad de gestión de batería
La unidad de sensor consta de varios nodos de sensores como se describe en la figura 2, y cada nodo tendrá un módulo de RF y una batería para el suministro de energía.
La unidad de RF recopila los datos de los nodos sensores y los transmite al Gateway. El Gateway escucha los datos recibidos de nodos prerregistrados y los reenvía a las estaciones base SIGFOX. Desde estas estaciones base, los datos se transfieren al backend de SIGFOX y en esta arquitectura anterior, utilizamos nuestra nube personalizada. Todos los datos se transferirán a la nube a través de la función de devolución de llamada de SIGFOX. Nuestra nube personalizada debe realizar el procesamiento principal sólo en el extremo de la nube; la nube tomará las decisiones y proporcionará alertas al equipo si se detecta un incendio.
Unidad de batería : incluye la batería, que describimos más adelante en este informe.
Algunos detalles más sobre el procesamiento de datos local
Utilizaremos transceptores RF de comunicación de datos de corto alcance. Los nodos se comunicarán con el Gateway local, que estará presente en cada celda. Ahora, la puerta de enlace en un extremo recopilará los datos de los nodos sensores y los transmitirá al módulo SIGFOX (los detalles del módulo se describen en la sección del módulo SIGFOX). Este módulo se comunicará de largo alcance con las estaciones base.
El motivo para elegir un transreceptor de RF de corto alcance:
1. El consumo de energía en el modo de transmisión y recepción será bajo, lo que ayudará a reducir el consumo de energía en general.
2. Reducción de costos.
Selección del módulo SIGFOX
El módulo está seleccionado para la región RCZ1, que incluye países europeos y cubre Medio Oriente. El rango de frecuencia operativa para estos países es 868 MHz.
Podemos utilizar el SoC transreceptor AX-SIGFOX-API (enlace ascendente y descendente) que cumplirá con los requisitos de nuestra aplicación con la funcionalidad adicional.
Diferentes unidades de sensores con causas de falsas alarmas y su técnica de prevención.
Unidad de detección
Podemos detectar el incendio utilizando la siguiente unidad de detección.
1) Detector de humo y gas
Detector de humo – Para la detección temprana de un incendio podemos utilizar dos tipos de detectores de humo
-Detector de humo por ionización – Respuesta rápida ante incendios con llama abierta (alta energía), ya que este tipo de fuego produce pequeñas partículas de humo.
-Detector de humo fotoeléctrico – Respuesta rápida ante un incendio latente.
Detector de gas Los sensores deben ser lo suficientemente sensibles para detectar concentraciones muy bajas de humo. Por este motivo, se deben utilizar sensores de gas o una combinación de sensores de gas junto con un sistema de aspiración. Se compone principalmente de sensores de gas CO2, CO, NO2, CH2, H2.
Causas de falsa alarma por detector de humo.
Niebla y nubes, objetos para no fumadores como plantas y animales.
Solución
También podemos reducir la tasa de detección falsa considerando la salida del sensor de gas y otros sensores (calor y humedad).
2) detector térmico
La llama abierta y ardiente aumenta la temperatura de la habitación. Utilizando un sensor de temperatura, podemos detectar el cambio en las condiciones ambientales.
Disponemos de dos modos de detección de temperatura
-Tasa de aumento: esto responderá rápidamente a un incendio de llamas altas.
-Temperatura fija: responderá al lento aumento del fuego latente o del suelo cuando la temperatura alcance un nivel umbral predefinido.
Causa de falsa alarma – Luz solar
Solución
Análisis de la temperatura de todo el bosque. En un día soleado, la temperatura aumentará uniformemente en toda la región del bosque y todos los sensores darán aproximadamente la misma lectura.
Considerando la temporada en esa zona.
Al implementar el detector térmico en un área sombreada
3) detector de llama
Los detectores de llama detectan ópticamente la radiación ultravioleta (UV) e infrarroja (IR) emitida por las llamas. Los detectores de llamas son dispositivos de “línea de visión” y están sujetos a ser bloqueados por objetos colocados frente a ellos.
Modo detector de llama
Podemos utilizar nuestro detector en modo de escaneo para evitar que el detector de llamas quede cubierto por algún obstáculo. En este modo, el dispositivo girará 360° y se detendrá cuando se reciba la señal. El detector solo alertará cuando la señal persista durante un período de tiempo específico.
Causas de una falsa alarma: luz solar y objeto sin humo.
Solución
Utilizando estos filtros, que bloquean la radiación solar.
En el caso de objetos sin humo, también podemos considerar los resultados de otros sensores.
4) Detector de velocidad del viento y detector de humedad.
La temperatura afecta tanto a la humedad como a la velocidad del viento. Midiendo ambos parámetros podremos detectar fuego en esa zona.
Algoritmo de detección
El algoritmo juega un papel crucial a la hora de minimizar la tasa de falsas alarmas en nuestro sistema. En lugar de depender de los datos de uno o dos sensores, analizaremos los datos de todos los sensores, lo que reducirá las posibilidades de que se produzcan falsas alarmas.
Datos del detector de gas y temperatura.
Gas S, temperatura es igual
((NH2,KH2 + NCO filtrado,KCO + NCH filtrado,KCH + NCO filtrado,KCO + NCO2 filtrado,KCO2 filtrado)(1+NTemp,KTemp filtrado) ) Gas S, Temp >= Valor límite => Activar temperatura y gas sensor booleano
Datos de detectores de humedad y humo.
S Humedad, Humo = (Humedad >= TH) (Humo >= Ts) => Habilitar sensor booleano de humedad y humo
TH = Nivel umbral de humedad
Ts = Nivel límite de humo
Datos del detector de llama
Llama S = (datos de llama >=Tt) => Habilitar sensor de llama booleano
Tt =Tiempo de espera para el detector de llama
Los datos medidos del sensor de humo, gas, temperatura, humedad y llama se transmitirán a nuestro portal y se introducirán en el algoritmo personalizado de detección/nube.
La decisión “alarma activa/sin alarma” resulta de los datos de todos los sensores comparados con el valor umbral.
Falsas alarmas provocadas por la actividad humana
– Camping y fogata
Solución
Permiso de la autoridad del departamento forestal.
Otras técnicas para reducir las falsas alarmas
I. Sistema FWI (Sistema de índice meteorológico de incendios)
Este sistema medirá el riesgo de incendios forestales o determinará la posibilidad de que se produzcan incendios forestales. Está compuesto por seis componentes que responden individual y colectivamente ante la ocurrencia de un incendio.
Si FWI mide un alto riesgo de incendio forestal, entonces hay menos posibilidades de que se produzcan falsas alarmas y, en caso de un riesgo de incendio bajo, podemos volver a comprobar la fiabilidad de la alarma.
II. Animal como sensor biológico: se pueden implementar dos métodos de detección diferentes. Estos métodos son el método de detección térmica (TD) para medir cambios instantáneos de temperatura y el método de clasificación del comportamiento animal (ABC) para clasificar cambios repentinos en los animales.
Unidad de toma de decisiones
Nube personalizada
La nube personal aceptará los datos del backend de SIGFOX a través de las API de devolución de llamada. La nube realizará principalmente estas operaciones:
1. La nube recopilará los datos del sensor y registrará los datos con el ID del dispositivo, la hora, la ubicación y la intensidad del RSSI.
2. El rango de detección aceptable se almacenará en la nube y el valor de detección en tiempo real se comparará y procesará únicamente en la nube.
3. Según los cálculos de back-end en la nube, la nube alertará al personal en caso de detección de un incendio.
4. La nube estará altamente protegida con la seguridad TLS habilitada.
Maximizando la larga vida
Gabinete
Utilizaremos el sistema de clasificación de protección de ingreso (IP) para proteger los efectos ambientales como el polvo, la suciedad, el viento, etc. Nuestro estuche está hecho de polímero, que puede soportar altas temperaturas y otros extremos ambientales.
-Uso de jaula de Faraday para bloquear campos electromagnéticos.
-Las unidades detectoras son propensas al polvo, la corrosión y las condiciones ambientales extremas; Para ellos podemos realizar una funda protectora en metal sinterizado que evita que se ensucien con polvo y humedad.
Hora de acostarse
Dado que la red SIGFOX solo puede aceptar 140 paquetes por día, no necesitamos muestrear los datos del sensor cada segundo o minuto. Habilitaremos la suspensión cíclica o la suspensión de pasadores en los nodos de sensores. Esto reducirá significativamente el consumo de energía del dispositivo; esto maximizará el ciclo de vida del dispositivo.
Nube personalizada
Realizamos todo el procesamiento únicamente en la nube; la nube decidirá si se produce un incendio y enviará una alerta. Esto reducirá significativamente el consumo de energía de nuestro dispositivo.
Transmisión de datos y duración de la batería.
Dado que nuestro dispositivo SIGFOX solo puede recibir 140 mensajes por día, hemos dividido el área forestal total en la sección 'N' en nuestro proyecto propuesto. Luego, cada sección se divide en nueve celdas; cada celda consta de 9 nodos. Si hacemos una media, podemos enviar 14 mensajes o alertas desde cada nodo al día.
-Por día, cada nodo sólo estará activo unas 14 veces y consumirá más energía; el resto del tiempo permanecerá en modo suspensión.
-Si el tiempo total de transmisión de datos desde un nodo al módulo de RF es de aprox. 200 ms. Por lo tanto, cada nodo permanecerá activo durante aproximadamente 3 segundos (14*200 ms) por día.
Tiempo activo de un nodo
-Por día de tiempo activo – 3s
-10 años de tiempo activo – 3h aprox.
-Según el cálculo teórico, el consumo medio de energía de cada nodo es de aprox. 1,6 W por día.
Cálculo de capacidad de la batería y tiempo de descarga.
Por ejemplo, voltaje nominal de la batería = 3,6 V
Capacidad nominal de la batería = 2000 mAh
Tasa de descarga = 0,25C o 500mA (tasa de descarga según el consumo actual de cada nodo)
Tiempo total de descarga en horas. = Capacidad de la batería (mAh)/Corriente de descarga (mA).
T = 2000/500 mA = 4 h
Por tanto, podremos utilizar una batería de 2000mAh o superior, la que mejor se adapte a nuestro diseño. Ahora discutiremos la química/tipo de batería, que debería tener una larga vida útil.
Selección de batería
La batería adecuada para nuestro sistema son las baterías primarias, ya que tienen una larga vida útil, un amplio rango de temperatura y un bajo costo y tasa de autodescarga. Dado que el voltaje de funcionamiento máximo de nuestro dispositivo no es superior a 4 V – 5 V, podemos utilizar baterías primarias basadas en iones de litio, ya que la batería de iones de litio tiene una alta densidad de energía y una larga vida útil.
Tipo de Batería
I. LiSOCl2
II.LiMnO2
III. Baterías de la serie XOL
Todas las baterías anteriores tienen una vida útil de hasta 10 años con baja corriente de autodescarga y un amplio rango de temperatura.
Otra técnica
Sistema de recolección de energía
Para aumentar la duración de la batería, también podemos adoptar el sistema de recolección de energía como batería principal para operar nuestro sistema, por lo que no podemos cargarlos con el sistema de recolección de energía. Pero podemos operar nuestro dispositivo directamente a través de un sistema de recolección de energía.
A continuación se muestra la lista de algunos sistemas disponibles que se pueden instalar según la fuente de energía disponible.
I. Sistema solar: este sistema necesita luz solar para generar suficiente energía.
ii. Sistema eólico: se puede instalar donde haya flujo de viento frecuente.
III. Sistema de energía electromagnética: se puede instalar cerca del sistema transformador que produce ondas EM.
Breve descripción
Como funciona
Por ejemplo, si consideramos un sistema de energía electromagnética (EM), algunos transductores convierten la onda EM en corriente eléctrica. Necesitamos usar el panel de cobre con el transductor para detectar la onda EM del medio ambiente. La energía convertida del transductor se utiliza luego para alimentar nuestro dispositivo.
Para otra fuente de energía, como la eólica o la solar, necesitamos un sistema de detección diferente que capture la energía solar/energía eólica.
fuente de onda EM
La fuente de energía para las ondas EM puede ser un transformador que emita ondas EM. Si colocamos nuestro dispositivo cerca de la línea del transformador, el sistema de recolección de energía puede capturar la onda EM emitida por el transformador.
Unidad de conmutación
Para alimentar nuestro dispositivo con un sistema de recolección de energía, necesitamos un circuito de conmutación. Podemos utilizar un interruptor electrónico (transistor) o un interruptor electromecánico (relé), el que mejor se adapte a nuestro proyecto. Esto cambiará nuestro dispositivo de batería a sistema de recolección de energía. El cambio sólo se producirá cuando nuestro sistema de recolección de energía almacene suficiente energía para alimentar nuestro dispositivo.
Sistema combinado de recolección de energía
Para un mayor almacenamiento de energía, podemos utilizar dos o tres sistemas de recolección de energía simultáneamente, como una combinación de sistemas solares y eólicos o dos sistemas EM.
Así podemos detectar incendios forestales mediante una red de sensores IoT.
