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Sistema de Telemetría Apícola

SITAP

Sebastian Eslava G., Giovanni Baquero, Octavio Márquez R., Ángela Méndez A.,

Jeisson Gutiérrez

RESUMEN Este documento presenta el desarrollo del Sistema de Telemetría Apícola (SITAP), un

sistema utilizado para monitorear el estado general de una colmena artificial y transmitir

la información adquirida. Existen ciertas variables físicas dentro de la colmena y

eventos sobre ésta que afectan la salud y productividad de las abejas; los rangos que

garantizan la salud y estabilidad de la colmena, para dichas variables físicas, fueron

identificados. En este documento se ilustra cómo se obtiene y se procesa esta

información para ser presentada al usuario final. También se ilustra, como la

información es adquirida y cómo ésta es presentada al usuario final sobre una pantalla

de cristal líquido y un archivo de registro que puede ser descargado en una memoria

USB, enviada vía correo electrónico o mensaje de texto.

Palabras Clave - Colmena, instrumentación, sistema embebido, sensor, dispositivo de

almacenamiento, transmisión inalámbrica.

ABSTRACT This document presents the development of SITAP (Telemetry Beekeeping System

according to its initials in Spanish), a system used to monitor the general state inside of

an artificial beehive and transmit the acquired information. There are some physical

variables and events that directly affect the health and production of the bees, these

events and physical variables were identified, and its typical ranges to stand surety for

the health and stability of the population inside the beehive. This document illustrates

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how this information was acquired and how it is processed to be presented to the final

user. This article presents SITAP arranged in a regular beehive, how it acquires the

information and how this information is finally displayed over a liquid crystal display and

in a registration file to be downloaded to a pen drive, sent via e-mail or SMS.

Index Terms— Beehive, measurement, instrumentation, embedded system, sensor,

storage device, wireless transmission.

INTRODUCCIÓN La apicultura es el arte de criar abejas para aprovechar sus productos [1], como la miel,

polen, propóleos y jalea real. En Colombia esta actividad agropecuaria está creciendo,

y cuenta con la presencia de un gran número de apicultores cuyos productos

provenientes de las abejas son comercializados en el mercado nacional. Para ampliar

las ventajas que ésta puede ofrecer al sector apícola es necesario difundir

conocimiento y aprovechar la tecnología, siempre de la mano con los distintos grupos

de interés para contribuir al bienestar, desarrollo y productividad de los apicultores y

sus comunidades.

Asia es el principal continente productor de miel; seguido por América donde

sobresalen Brasil, México y Argentina como el segundo productor a nivel mundial.

Colombia ocupa el puesto 70 en la producción global de miel, según la FAO (Food and

Agriculture Organization por sus siglas en Inglés). [2]

En la actualidad en Colombia la Universidad de Antioquia, la Universidad de Tolima y

la Universidad Nacional de Colombia [3], realizan investigaciones en el área apícola. En

la Universidad Nacional de Colombia el Grupo de Apicultura (GAUN), busca contribuir

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al desarrollo de la producción apícola mediante la formación y capacitación de

profesionales, el desarrollo de proyectos de producción, la investigación y transferencia

de tecnología a nivel regional y nacional.

Este artículo presenta el desarrollo e implementación de un sistema de lectura, registro

y transmisión variables físicas y eventos sobre una colmena que afectan la salud y la

productividad de su población.

CONDICIONES TOMADAS EN CUENTA La temperatura es una variable física de gran interés para los apicultores, la colmena

debe mantenerse dentro del rango de 34° y 38°C para una salud y producción estables.

Si la temperatura dentro de la colmena aumenta por encima de 35°C las abejas

presentan un comportamiento particular, sacudiendo sus alas para disminuir la

temperatura y refrescarse. Si la temperatura dentro de la colmena sigue aumentando,

las abejas salen a ventilarla desde afuera. A 45°C las proteínas de las abejas se

coagulan y pierden sus funciones [4]. Con temperaturas inferiores a 12°C algunas

razas de abejas suspenden la puesta de huevos, puesto que las crías requieren de una

temperatura mayor y de un ambiente más húmedo (humedad relativa del 80%) que una

abeja adulta para sobrevivir; en una situación de frío continuo las abejas se agrupan en

“bolos invernales”, con la reina en el centro, para reducir el descenso de la

temperatura.

El agua es necesaria en la dieta de las abejas para su metabolismo, dilución de miel,

usada en la alimentación de las larvas, y para el acondicionamiento del aire al interior

de la colmena. El agua es obtenida habitualmente por las abejas de las gotas de rocío

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en las plantas o encharcamiento, siendo esta última posible fuente de contagio de

enfermedades; por ello es aconsejable tener cerca de los apiarios fuentes de agua

fresca, un bebedero higiénico bajo sombra y acondicionado de tal forma que permita a

las abejas beber sin ahogarse. [5]

Una colonia tiene aproximadamente una población de 60.000 individuos, de los cuales

más de la mitad salen diariamente a recolectar néctar y polen [6]. Si se identifica de

forma efectiva los individuos que salen diariamente de la colmena, se logra aproximar

la población dentro de la misma. El conteo de abejas que dejan la colmena puede

servir de indicador de ausencia de la reina o presencia de enfermedad.

La apertura continua de la colmena genera estrés en la población, afectando las

actividades normales al interior. Por ejemplo, cuando la colonia está en proceso de

fecundación de una nueva reina, abrir o molestar la colmena podría afectar el

proceso.[7]

En el ámbito colombiano y su desarrollo tecnológico es necesario tecnificar e

instrumentar el sector apícola para optimizar su producción. Para lograrlo se requiere

de un sistema de monitoreo que permita la lectura confiable de las variables descritas

anteriormente. Este sistema debe ser capaz de almacenar y de presentar al usuario el

estado general de las colmenas, ya sea que esté cerca del apiario o en un sitio remoto.

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Los sistemas de monitoreo electrónicos permiten realizar este tipo de tareas de forma

rápida y confiable a través de sensores cuyas características generales como:

precisión, robustez y confiabilidad, son adecuadas esta labor.

La adquisición de los datos, requiere que la información sea procesada, transmitida,

presentada de forma legible para el apicultor y almacenada para su posterior estudio.

Los sistemas de monitoreo inalámbrico actuales deben su existencia a la investigación

en áreas como el sector industrial, sector salud, negocios, seguridad y agricultura. [8]

El núcleo de estos sistemas debe comunicarse con los periféricos de entrada y salida

del sistema para llevar a cabo las tareas que el Sistema de Telemetría Apícola (SITAP)

debe realizar; y los sistemas embebidos son idóneos para realizar dicha labor. Los

sistemas embebidos son arquitecturas de espacio físico reducido que buscan integrar

todas las características de una computadora. Así mismo, estos sistemas cuentan con

su propio procesador y unidad de almacenamiento; sin embargo, en lugar de tener un

disco rígido, utilizan una memoria de datos SD (Secure Digital), como principal medio

de almacenamiento y de arranque. Gran variedad de aplicaciones en el área de

instrumentación y medicina se han desarrollado sobre este tipo de sistemas. [9]

DESCRIPCIÓN DE SITAP La figura 1 presenta un esquema general de una colmena apícola con sus partes y un

esquema inicial de la ubicación de SITAP sobre ella.

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Fuente: Jiménez y Núñez, 1986.

Figura 1: Esquema general de la colmena y de SITAP.

SITAP es un sistema autónomo y una herramienta que permite a los apicultores

conocer el estado general de las colmenas sin importar su ubicación. SITAP informa el

estado de las variables físicas de entrada, así como eventos que perturban la

estabilidad de la colmena: ser golpeada o sacudida fuertemente, llegar al nivel crítico

de agua azucarada en el tanque de alimentación (alimentador) o aperturas no

programadas de la colmena.

SITAP comprende dos prototipos que fueron desarrollados de forma simultánea y bajo

la misma plataforma: SITAP1 encargado del sensado de las variables descritas

anteriormente y la interacción con el usuario en campo, mientras SITAP2 realiza la

comunicación a través de Internet. Por este motivo el segundo prototipo toma una

etapa de sensado inferior al primero y no interactúa con el usuario en campo; en lugar

de esto, automáticamente envía la información adquirida por medio de un correo

electrónico y un mensaje de texto periódicamente o ante un evento que perturbe las

actividades al interior de la colmena. En la figura 2 se ilustra el flujo de la información

dentro de cada uno de los prototipos, partiendo de las variables medidas, los sensores

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y el sistema embebido que realiza el procesamiento y registro de los datos, hasta al

usuario por medio de una pantalla de cristal líquido, un archivo de texto que es

transferido a una memoria USB o a través de Internet (correo electrónico/mensaje de

texto).

Figura 2: Diagrama de bloques de SITAP. Izquierda SITAP1. Derecha SITAP2

Durante el desarrollo de SITAP no se hizo uso de personas, animales u otro ser vivo.

Los equipos e instrumentos usados y desarrollados para SITAP no presentan

afectación sobre personas, animales o el medio ambiente que lo rodea.

SITAP con sus partes eléctricas y mecánicas se ha diseñado y está dispuesto en una

colmena apícola de forma tal que su construcción y ubicación no cause maltrato o

traumatismo alguno a ningún ser vivo. SITAP no afecta la salud, higiene o el bienestar

general de las abejas dentro del apiario, respetando los derechos de los animales.

ELEMENTOS DE SITAP Las terminales ubicadas en la colmena usan el sistema embebido Chumby Hacker

Board (CHB), que permite conectar, programar y administrar los siguientes dispositivos:

módulo de adquisición de variables físicas y alarmas, pantalla de visualización,

adaptador para comunicación inalámbrica, según norma IEEE 802.11b, tarjeta de

conexiones para la adquisición de la información proveniente de los sensores y un

teclado numérico.

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La disposición de los sensores al interior de la colmena, para lograr adquirir la

información más relevante, se realizó bajo la asesoría del Grupo GAUN.

Para la adquisición de temperatura y humedad se eligió un sensor cuyo funcionamiento

está dentro los rangos requeridos de temperatura y humedad relativa (35 °C y 80%

respectivamente) que normalmente están presentes al interior de la colmena.

Para establecer la cantidad aproximada de abejas presentes en la colmena, fue

desarrollado e implementado un módulo de conteo de población basado en

observaciones realizadas por el grupo GAUN. Usualmente, los apicultores, modifican

las colmenas habilitando orificios que únicamente son usados por las abejas como

salida. Se instrumentaron dichos orificios de forma que las abejas que pasan por ellos

sean registradas.

Si el nivel del tanque de suministro con agua azucarada en la colmena se encuentra

bajo, el módulo ubicado dentro del tanque registrará lo ocurrido y enviará la información

al sistema embebido. El cambio en esta variable es usado como alarma obligando al

sistema a registrar el evento, enviar un correo electrónico y un mensaje de texto.

Para tener control de la apertura de la colmena, el sistema registra el momento en que

la tapa es retirada y cuando ésta se ubica nuevamente sobre la colmena. Esta variable

es también usada como alarma por el sistema.

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Si la colmena es golpeada o sacudida fuertemente, el sistema registra lo ocurrido, y un

LED dispuesto sobre la caja de mando, a modo de alarma, indica que ha ocurrido una

perturbación sobre la colmena.

Para la interfaz con el usuario, en el primer prototipo, se generó un menú que permite

visualizar la información registrada, descargar un archivo de texto plano con la

información de las lecturas realizadas, fecha y hora a una memoria USB, si se ha

conectado alguna, modificar la fecha y la hora y finalmente apagar el dispositivo de

forma segura. El menú se controla por medio de un teclado numérico de conexión USB.

El segundo prototipo de SITAP, realiza un reporte diario y entrega de los estados de las

alarmas a los apicultores, el sistema de monitoreo requiere una conexión a Internet.

Para proporcionar este servicio es utilizado un adaptador de conexión inalámbrica a

Internet. El adaptador de conexión inalámbrica cuenta con una antena de recepción de

alta potencia y alto alcance, la cual se ubica a 500 metros de distancia del apiario.

DISEÑO ESTRUCTURAL E IMPLEMENTACIÓN DE SITAP A partir de los paneles usados tradicionalmente en la apicultura, donde las abejas

forman sus panales de cría y producción de miel, se diseñó un panel de forma que se

obtuviera la información requerida sin intervenir con el comportamiento habitual de la

población, la figura 3 muestra el diseño del panel de ubicación del sensor de

movimiento, humedad y temperatura así como su prototipo terminado. El diseño posee

espacio adicional si se requiere la adición de sensores en nuevas etapas de SITAP.

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Figura 3: Panel de ubicación de sensor de movimiento temperatura y humedad. Diseño preliminar

(izquierda) y prototipo elaborado. El panel cuenta con una malla usada usualmente en la apicultura, para

impedir que las abejas tengan contacto con los sensores o conexiones eléctricas y viceversa

La figura 4 presenta el diseño de la estructura que permite el conteo de las abejas sin

que interfiera con sus actividades cotidianas.

Figura 4: Diseño estructura sistema de conteo de población, vista anterior y posterior

El diseño estructural del sensor de nivel del tanque de alimentación, y su disposición

física final se presenta en la figura 5.

Figura 5: Sensor de nivel. Diseño preliminar (izquierda) y prototipo elaborado

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La figura 6 presenta el diseño de la ubicación general de los sensores en la colmena y

la disposición final dentro la colmena.

Figura 6: Disposición final de los sensores en la colmena. Diseño preliminar (izquierda) y prototipo.

PRUEBAS Y RESULTADOS SITAP fue ensamblado y montado sobre una colmena apícola en laboratorio para

realizar pruebas, como se puede ver en la figura 6.

Para las pruebas de funcionamiento de SITAP, en laboratorio fueron establecidas

ciertas condiciones controladas con el fin de evaluar la efectividad del sistema. Las

condiciones de temperatura y humedad cerca de los sensores fueron modificadas, así

como el nivel del tanque. También fue simulado el ingreso y partida de abejas a través

de los orificios dispuestos en la estructura presentada en la figura 4. Dentro de las

pruebas realizadas, la colmena fue abierta, cerrada y “sacudida fuertemente”.

Tras realizar los procedimientos anteriores se verificó que el sistema hubiese registrado

todos los eventos, que la información fuese visualizada en la pantalla de cristal líquido y

que un correo y mensaje de texto hubiese sido enviado según las condiciones del

cuadro 1.

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Cuadro 1: Condiciones de envío del correo electrónico y de SMS de SITAP.

La visualización en campo tiene en cuenta la indumentaria usada por los apicultores,

dado lo anterior se seleccionó una pantalla con iluminación de fondo y de un tamaño

adecuado para su lectura en campo (4x20 caracteres). Sobre la CHB fue desarrollado

el driver de visualización para la pantalla, y para ésta un menú fácil de seguir por el

usuario usando el teclado numérico. Se observa en la figura 7 que el menú permite

realizar las tareas básicas de monitoreo del estado actual de la colmena, apagado

seguro, actualización de la fecha, descarga de la información adquirida, almacenada en

un archivo de texto plano (figura 8), en una memoria USB.

Figura 7: Presentación de la interfaz de usuario (izquierda) y de los datos adquiridos sobre una pantalla

de cristal líquido.

Figura 8: Muestra de los sensores sobre el archivo de texto plano.

Finalmente, la figura 9 presenta la caja de mando de SITAP, la cual es ubicada a un costado de

la colmena.

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Figura 9: Caja de mando SITAP.

En la figura 10, se observan los correos electrónicos generados, en la parte inferior se

puede observar el contenido de las alarmas y en la parte superior el reporte diario en

un archivo adjunto.

Figura 10: Reporte de SITAP en la bandeja de entrada de un correo electrónico de prueba

CONCLUSIONES Los aportes realizados por SITAP apoyan la investigación apícola en Colombia e

impulsan el crecimiento económico en el sector agrícola del país.

SITAP, al ofrecer monitoreo de colmenas apícolas, facilita y optimiza el trabajo de los

pequeños y grandes apicultores en Colombia. Además de reducir la intervención del

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hombre sobre las colmenas, evitando daños en su población y optimizando la

producción.

La construcción y adecuación de SITAP es viable para el apicultor colombiano, al no

demandar mayores recursos humanos o económicos, presentar soluciones óptimas y

contribuye al desarrollo de la industria apícola en Colombia.

Las dos soluciones tecnológicas desarrolladas permiten al pequeño o gran apicultor

seleccionar el dispositivo que más se adapte a sus necesidades y condiciones de

trabajo, permitiendo monitorear las colmenas de forma eficiente.

Los sistemas desarrollados para la apicultura bajo plataformas tecnológicas embebidas

son herramientas eficaces y altamente robustas para realizar tareas específicas de

sensado de variables físicas y eventos que afectan las colmenas, manejo de

información y comunicación para sistemas de monitoreo en campo y remoto. Que

implican implementación de bajo costo.

El manejo de SITAP es semiautomático y amable con el usuario gracias a su sencilla e

intuitiva interfaz de manejo, que se adecua a las necesidades en campo.

La posibilidad de enviar paquetes de información de varios tipos desde las colmenas a

través de Internet, brinda modularidad y fácil evolución de SITAP.

REFERENCIAS [1] Definición apicultura (en línea) <lema.rae.es/drae/?val=apicultura>, [citado el

4/Abril/2012]

[2] Laverde Rodríguez Jairo César, Agenda Prospectiva De Investigación Y Desarrollo

15

Tecnológico Para La Cadena Productiva De Las Abejas Y La Apicultura En Colombia

Con Énfasis En Miel De Abejas, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colombia,

2010, pp. 15, 25

[3] Fuente de información XI ENCUENTRO COLOMBIANO DE APICULTURA I

SEMINARIO APICOLA DE LOS ANDES XIV JORNADA APICOLA UNIVERSITARIA.

[4] Estrés en las Abejas (en línea),

<http://www.beekeeping.com/articulos/estres_abejas.htm >, [citado el 4/Abril/2012]

[5] Alimentación de las Abejas (en línea),

http://www.infogranja.com.ar/alimentacion_de_la_abeja.htm>, [citado el 23/Mayo/2012]

[6] La Polinización (en línea), <http://www.abejas.org/polinizacion/la_polinizacion.htm>,

[citado el 4/Abril/2012]

[7] Aula Medioambiental del Real Jardín Botánico Juan Carlos I, Universidad de Alcalá,

Cuaderno didáctico de Medio Ambiente nº 25 (en línea),

<http://www.aulaapicolazuqueca.com/la_actividad_ap%C3%ADcola_a_lo_largo_.htm>,

[citadoel 23/Mayo/2012]

[8] J. Yick, B. Mukherjee, Wireless sensor network survey.Computer Networks2292,

2007.

[9] M. Colli, Unix. 1ra ed. Gradi S. A.: Argentina, 2009, pp. 283