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|authors=Paula Bolaños,Sandra Céspedes,Juan Carlos Cuéllar
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==Prototype of a Wireless Sensor Network for Monitoring the Coffee Drying Process==
https://ceur-ws.org/Vol-2178/SSN2018_paper_19.pdf
Prototype of a Wireless Sensor Network for Monitoring
the Coffee Drying Process
Paula A. Bolaños Sandra Céspedes U. Juan Carlos Cuéllar
Universidad Icesi Dpto de Ingenierı́a Eléctrica Departamento TIC
paula.bolanos@correo.icesi.edu.co Universidad de Chile Universidad Icesi
scespedes@ing.uchile.cl jcuellar@icesi.edu.co
permite mantener la calidad del café adquirida durante
Abstract la cosecha. Especı́ficamente en el secado los granos son
expuestos al sol por varios dı́as con el fin de disminuir el
To guarantee the quality in the coffee produc- porcentaje de humedad desde un intervalo inicial entre
tion, not only the harvesting process is im- el 30%–60% hasta uno final entre el 10%–12%. La
portant, but also the subsequent processes are importancia de este proceso y su exactitud radica en
critical for maintaining a high quality coffee la impregnación de la semilla con los azúcares y otros
to achieve export quality of the coffee grains. compuestos presentes en el mucı́lago del café para que
One of those processes is the drying, which la bebida final contenga sabores caracterı́sticos [Post].
should lower the coffee moisture to a 10%– Lamentablemente, hoy en dı́a la calidad del café
12%. However, there are not affordable tech- se deteriora debido al proceso artesanal de secado del
nologies for little farmers able to detect when grano que utilizan los pequeños caficultores del Cauca.
the moisture level is in the optimal range. Esto ocurre porque los medios de monitoreo son man-
Therefore, we propose a Wireless Sensor Net- uales, de poca precisión y presenciales. Aunque existen
work (WSN) using LoRaWAN for monitoring tecnologı́as de alta precisión para medir la humedad
and studying the environmental variables that del grano, el alto costo de las mismas las hace inal-
affect the drying process. We collect data canzables para los pequeños caficultores. El deterioro
about the humidity, temperature, and lumi- de la calidad del café tiene como efectos inmediatos
nosity of the surroundings of the drying boxes la disminución de los ingresos de los productores y la
where the coffee is placed, and analyze it to reducción de las posibilidades de exportación.
understand the relation of each variable with Por lo anterior, en el presente trabajo se ha diseñado
the coffee moisture level. Finally, we gener- e implementado el prototipo de un sistema de mon-
ate a model with regression equations to pre- itoreo de variables ambientales, que influyen en el
dict when the drying process is at the finishing secado del café. Este prototipo es capaz de relacionar
state. las variables con la humedad del café para reportarle
al caficultor el momento en el que debe verificar que el
1 Introducción secado está finalizando. Para este experimento, se ha
En el 2016, los tres principales productores de café escogido el método de secado provisto por el secador
fueron Brasil, Vietnam y Colombia, respectivamente parabólico [Ram02], que permite un secado más rápido
[Stat16]. Sin embargo, el mayor productor de café y eficiente.
de calidad es Colombia [CafCO]. Para mantener La importancia de este proyecto radica en que
dicha calidad, la Federación Nacional de Cafeteros de en la medida en que mejoren los procesos de post-
Colombia ha organizado a cerca de 500.000 pequeñas cosecha del café, las oportunidades de cumplir con
familias [FNC], que someten su café a diferentes con- los estándares de exportación para los caficultores con
troles de calidad previos a la exportación. El café pro- fincas pequeñas aumentarán. Además, debido a que
ducido en el departamento del Cauca, Colombia, con- Colombia está atravesando un proceso de transición
tiene caracterı́sticas en la bebida final deseadas por con la implementación del Acuerdo de Paz y del Plan
mercados sofisticados [Reg], lo cual ha permitido que de Sustitución de cultivos ilı́citos, existe un gran im-
este departamento sea hoy el cuarto productor na- pacto al mejorar por medio de Tecnologı́as de Infor-
cional de café colombiano [HSB15] con alrededor de mación y Comunicación (TIC) la cadena de valor de
93.000 caficultores [Lib16]. una alternativa rentable, como lo es el café.
Si bien el proceso de cultivo de café es determinante,
también es importante destacar que la post-cosecha 2 Metodologı́a
Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for
En el presente trabajo se realizó un proceso de levan-
private and academic purposes. tamiento de requerimientos para definir la propuesta
In: Proceedings of the IV School of Systems and Networks
de diseño lógico y fı́sico. El requerimiento funcional
(SSN 2018), Valdivia, Chile, October 29-31, 2018. Published principal fue monitorear las variables ambientales, que
at http://ceur-ws.org el usuario consideró que podrı́an influir en el secado,
como la humedad relativa, la temperatura ambiente gateway, la cual debı́a ser de 300 m con posibilidad de
y la luminosidad. De aquı́ se concluyó que era nece- escalar a 1 km, ya que corresponde a la distancia entre
sario tener nodos sensores de dichas variables al inte- el secador parabólico y la casa del caficultor, donde
rior del secador y que su cantidad dependı́a del largo se ubicará el nodo procesador y el sistema de alarma
del secador y la variabilidad de los datos en difer- al caficultor (ver Fig. 1). Una vez conocidos los re-
entes puntos. En consecuencia, para la definición del querimientos y planteado el diseño lógico y fı́sico, fue
diseño, adicional al levantamiento de los requerimien- posible determinar los dispositivos a utilizar.
tos fue necesario conocer el espacio y las dimensiones
del secador.
Los sensores utilizados fueron: el sensor DHT22
para medir la humedad y la temperatura relativa del
ambiente, la sonda de temperatura DS18B20 y el sen-
sor de flujo de intensidad de luz BH1750. La sonda se
utilizó con el fin de corregir y tener mayor exactitud en
el dato de temperatura obtenido por el DHT 22, espe-
cialmente en casos de inconvenientes con la calibración
brindada por el fabricante.
El espacio para el que se desarrolló este prototipo
fue un entorno rural, una finca junto al parque Tec-
nológico de Innovación en Café. En dicha finca, ubi-
cada en el corregimiento La Venta del municipio de
Cajibı́o – Cauca, se construyó un secador parabólico
de 10 m de largo a aproximadamente 200 m del par-
que. Después de conocer esto y de diferentes pruebas
realizadas, se llegó a que se tendrı́an tres nodos, ubi- Figura 2. Diseño lógico de la red de sensores inalámbricos
cados en la entrada, la mitad y el fondo de la franja propuesta.
central del secador para equilibrar los vientos de los
lados. La red lógica de sensores inalámbricos propuesta
Adicionalmente, debido al entorno rural en el que consta de tres nodos sensores y un nodo principal o
se encontraba el secador, este no contaba con ali- gateway, organizados en topologı́a en estrella, que es la
mentación eléctrica, por lo que fue necesario buscar que se usa por defecto con LoRaWAN (ver Fig. 2). Por
el medio para alimentar los nodos sensores de forma ello, los módulos de comunciación utilizados fueron los
autónoma. Para ello se utilizaron pilas, sin embargo, RFM95W HopeRF en la banda de 915 MHz. Por otra
esto tuvo implicaciones en la altura de ubicación de los parte, el gateway recibe los datos de cada nodo sensor
nodos. Lo anterior porque las altas temperaturas al- y almacena y procesa la información para enviar la
canzadas al interior del secador, de hasta 46o C, afecta- alerta de notificación, por medio de un sonido, cuando
ban los nodos, derritiendo las pilas y algunos cables si detecta que los modelos de predicción de los tres nodos
estos se localizaban a altura máxima o media, por lo reportan una humedad entre 10% y 12%.
cual su localización final fue sobre el piso. Con el fin de elaborar los modelos de predicción fue
necesario realizar una toma de datos con el secador
vacı́o para verificar el comportamiento de los sensores
y dos tomas de datos durante diferentes secados para
relacionar los datos de las variables ambientales toma-
dos por los sensores y la humedad del grano de café
tomada manualmente. Para recoger los datos de la
humedad del grano fue necesario conocer el modo de
uso y operación de la máquina Gehaka G600 [Ghk600].
Esta máquina mide la conductividad eléctrica de los
granos y según eso calcula la humedad con un error
aproximado de 0.5%.
Es importante destacar que, como en este exper-
imento no se utiliza café pergamino sino café natu-
ral con cáscara, para medir la humedad de este tipo
de café no hay un equipo especialmente desarrollado.
El G600 no tiene la opción de café con cáscara, sino
que tiene la opción de medir arroz cáscara, que fue la
Figura 1. Diseño fı́sico del prototipo de red de sensores opción sugerida por el caficultor debido a su experien-
inalámbricos y detalle del hardware usado en la cia. Sin embargo, el rango de detección de humedad
implementación del prototipo. que se tiene para este tipo de grano con cáscara es sólo
de 7% a 30%, lo que impide tener datos si la humedad
De los requerimientos no funcionales, el determi- está por encima del 30%.
nante para escoger LoRaWAN como tecnologı́a de co- A partir de los datos obtenidos en los dos procesos
municación inalámbrica entre los nodos fue la distan- de secado, se realizó un análisis de regresión con un
cia entre los nodos sensores y el nodo procesador o 95% de nivel de confianza en la herramienta Minitab
para cada nodo, que permitió obtener una primera afectado por la intensidad de luz, porque el valor p de
versión de la ecuación de predicción de la humedad la variable del flujo de la luz en el modelo es el más
del café según los datos tomados por cada uno. De- pequeño y cercano a 0.05 y el ı́ndice de correlación es
bido a la variación en los coeficientes de correlación el más alto. Sin embargo, se resalta que es necesario
de las variables de entrada, humedad y temperatura tomar más datos para tener un modelo más ajustado
ambiente, intensidad de luz y temperatura de la sonda a la realidad.
junto al café, con respecto a la variable de salida, la Por último, se concluyó que no es viable utilizar pi-
humedad del grano de café, por cada nodo, se decidió las como medio de alimentación de los nodos sensores
obtener un modelo de predicción para cada ubicación si se usan Arduino Uno, ya que se consumen en 2 dı́as
de los nodos. En la figura 3 se ilustran las ecuaciones y el secado puede durar hasta 6 dı́as. Es recomend-
de regresión de cada uno de los modelos, determinados able utilizar una baterı́a con mayor capacidad, como
por ubicación de los nodos, para calcular la humedad una baterı́a de motocicleta y/o paneles solares, o uti-
del café con base en las variables ambientales medidas. lizar unas tarjetas diseñadas como de bajo consumo
energético.
Referencias
[Stat16] All products require an annual contract
Prices do not include sales tax, “Top coffee produc-
ing countries 2016”, Statista. [En lı́nea]. Disponible
en: https://goo.gl/kcerbM. [Accedido: 24-sep-
2017].
[CafCO] “Un Café Sobresaliente”, Café de Colombia.
Figura 3. Ecuaciones de regresión de los nodos.
[En lı́nea]. Disponible en: https://goo.gl/hKeiEp.
[Accedido: 05-sep-2017].
3 Resultados
[FNC] “Nuestro Café”, Federación Nacional de
Inicialmente, se generaron modelos con todos los datos Cafeteros de Colombia. [En lı́nea]. Disponible en:
obtenidos de las variables ambientales, sin embargo, el https://goo.gl/twRQy4. [Accedido: 02-sep-2017].
R cuadrado de estos fue de 35.01%, 33.66% y 19.63%
de los nodos del fondo, la mitad y la entrada, respec- [Reg] “Nuestras Regiones cafeteras”, Café
tivamente. Esto se debió a que la relación de los datos de Colombia. [En lı́nea]. Disponible en:
de las variables ambientales con los de la humedad del https://goo.gl/zaU8XD. [Accedido: 05-sep-2017].
café no era uno a uno, porque los primeros se tomaron
aproximadamente cada cuatro minutos y los segun- [HSB15] “Cauca es el cuarto departamento en pro-
dos cada hora. Por lo tanto, se decidió promediar los ducción de café según Fedecafeteros — HSB
datos de las variables ambientales por hora y ası́ dejar Noticias”, 17-feb-2015. [En lı́nea]. Disponible en:
la misma cantidad de datos de la humedad del grano. https://goo.gl/19ZQby. [Accedido: 11-sep-2017].
Con esto se logró obtener modelos con una bondad de
ajuste o R cuadrado de 82,49% para el fondo, 78.88% [Lib16] E. N. Liberal, “Cauca, departamento de cafés
para la mitad y 85.06% para la entrada. finos y de alta calidad”, 18-abr-2016. [En lı́nea].
Cabe destacar que se observó que en las noches Disponible en: https://goo.gl/dfB4Y1. [Accedido:
surgió un proceso de reversa en el nivel de humedad 05-sep-2017].
(i.e., sube con respecto a la reducción lograda durante [CIQ15] “Procesos del Café: Lavado, Natural y
el dı́a), lo cual extiende la duración del proceso de Honey”, COFFEE IQ, 01-jul-2015. [En lı́nea].
secado. Por lo tanto, se aconseja probar si al cubrir Disponible en: https://goo.gl/XdTYS8. [Accedido:
el café es posible mantener la humedad estable du- 26-may-2018].
rante la noche. A partir de esto, también se concluye
que monitorear las condiciones ambientales durante el [Post] “Post-cosecha”, Café de Colombia. [En lı́nea].
dı́a es más importante para determinar la duración del Disponible en: https://goo.gl/uu4SHA. [Accedido:
proceso de secado ya que en las noches el porcentaje de 05-sep-2017].
variación fue de alrededor de 2% independientemente
de las condiciones ambientales. [Ram02] C. A. RAMIREZ G., OLIVEROS T., C.E.,
y ROA M., G., “Construya el Secador Parabólico”,
4 Conclusiones Cenicafé, Avance técnico 305, nov. 2002.
Fue posible concluir que se acertó con la decisión [Ghk600] “Nuevo Medidor de humedad de café y
de utilizar LoRaWAN en este proyecto, ya que se granos - Notı́cia - Notı́cias”, Gehaka. [En lı́nea].
necesitaba una amplia cobertura en un entorno ru- Disponible en: https://goo.gl/D2mNiR. [Accedido:
ral, con posibilidades de extender la distancia. En lo 13-abr-2018].
relacionado con el comportamiento del porcentaje de
humedad del grano se puede afirmar que tiende a ser
una curva logarı́tmica. Por otra parte, en el análisis
del modelo se halló que el secado principalmente se ve