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Semantics for the Internet of Things: Early Progress and Back to the Future

TL;DR: The authors review some of the recent developments on applying the semantic technologies based on machine-interpretable representation formalism to the Internet of Things.
Abstract: The Internet of Things IoT has recently received considerable interest from both academia and industry that are working on technologies to develop the future Internet. It is a joint and complex discipline that requires synergetic efforts from several communities such as telecommunication industry, device manufacturers, semantic Web, and informatics and engineering. Much of the IoT initiative is supported by the capabilities of manufacturing low-cost and energy-efficient hardware for devices with communication capacities, the maturity of wireless sensor network technologies, and the interests in integrating the physical and cyber worlds. However, the heterogeneity of the "Things" makes interoperability among them a challenging problem, which prevents generic solutions from being adopted on a global scale. Furthermore, the volume, velocity and volatility of the IoT data impose significant challenges to existing information systems. Semantic technologies based on machine-interpretable representation formalism have shown promise for describing objects, sharing and integrating information, and inferring new knowledge together with other intelligent processing techniques. However, the dynamic and resource-constrained nature of the IoT requires special design considerations to be taken into account to effectively apply the semantic technologies on the real world data. In this article the authors review some of the recent developments on applying the semantic technologies to IoT.

Summary (7 min read)

AGRADECIMIENTOS

  • También agradecemos nuestro director, ya que gracias a su asesoría logramos mejorar la calidad del trabajo que se realizó.
  • De antemano agradecemos al Ingeniero Alberto Diaz el cual presto grandes aportes gracias a sus conocimientos para lograr las metas propuestas.

LISTADO DE CUADROS

  • Cuadro 2. Sistemas operativos comunes utilizados en entornos IoT. Cuadro 3. Tipos de termopares comerciales.
  • Cuadro 5. Sensores para estimación del desplazamiento.
  • Características de los diferentes sensores mencionados y sus rasgos de medición.

GLOSARIO UBIQUITOUS COMPUTING (UBICOM):

  • También conocido como logística de intercambio de información entre aplicaciones, es un software que asiste a una aplicación para interactuar o comunicarse con otras aplicaciones o paquetes de programas, redes, hardware o sistemas operativos, also known as 1 MIDDLEWARE.
  • Magnitud física que hace referencia al movimiento de las partículas de un cuerpo, las cuales están directamente relacionadas con la sensación de calor y frio, also known as 3 TEMPERATURA.
  • Periodo durante el cual las hembras están receptivas sexualmente, es decir, están listas para procrear, also known as 4 ESTRO.

RESUMEN

  • El problema radica en que el monitoreo de este ciclo se hace de forma empírica y por lo general siempre se debe tener un observador humano registrando los comportamientos del animal durante lapsos de tiempo que abarcan todo el día, sin mencionar que el ganadero pierde los registros de la actividad del bovino hembra durante la noche.
  • Esto se hace partiendo de la investigación de las tecnologías existentes para llevar control de las diferentes fases que tiene el ciclo estral.
  • Así mismo, estas variables se envían a una aplicación que permite llevar el control y ver los cambios de las mismas.

1 INTRODUCCIÓN

  • Todo esto basado en comportamientos específicos en las hembras de ganado bovino durante dicho ciclo.
  • Por lo general estos comportamientos son: disposición para la monta del toro, pero solo por unos segundos, mayor desplazamiento, mayor frecuencia de mugidos, entre otras.
  • Los elementos presentados para el diseño de un sistema de monitorización del ciclo estral comprenden: Además de esto, también se cuenta con una aplicación, en donde el usuario puede observar y llevar registro de los datos del ciclo estral de cada una de las hembras que cuenten con el dispositivo.

2 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

  • El ciclo estral en el ganado bovino, más específicamente en las hembras, es un tema muy importante para tener en cuenta, ya que este determina cuando la hembra está lista para aparearse.
  • El problema radica en que el monitoreo de este ciclo se hace de forma empírica y por lo general siempre se debe tener un observador humano registrando los comportamientos del animal durante lapsos de tiempo que abarcan todo el día, sin mencionar que el ganadero pierde los registros de la actividad del bovino hembra durante la noche.
  • Por supuesto, hay otros dispositivos mucho más sofisticados que analizan los fluidos de la hembra para determinar su ciclo estral, pero ninguno integra todas las variables antes mencionadas.
  • Para tener un monitoreo mucho más preciso se necesita vigilar los cambios que se producen en la hembra cuando está en este ciclo, como, por ejemplo: cambio en el nivel de temperatura, pulso y ritmo cardíaco y distancia recorrida durante el día.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  • Recopilar información sobre el ciclo estral en bovinos, tecnología IOT y aplicaciones móviles.
  • Diseñar un sistema electrónico que permita monitorear constantemente la temperatura, ritmo cardíaco y desplazamiento de bovinos hembra, desde cualquier lugar mediante una aplicación móvil.

4 JUSTIFICACIÓN

  • Por estas razones ya no basta con tener personal humano realizando la tarea que un sensor puede ejecutar todo el tiempo, las 24 horas del día.
  • En términos generales, la ganadería representa el 21.8% del PIB agropecuario, esto genera una idea general de que alrededor de 40 municipios son productores de ganado en una cantidad superior a 100.000 cabezas de ganado entonces el control del ciclo estral se masifica por el abundante ganado en el territorio colombiano según índices de Fedegan.

5 ANTECEDENTES

  • Los indicadores del ciclo estral pueden presentarse de muchas maneras, estas incluyen temperatura, vocalización, ritmo cardíaco, desplazamiento y liberación de ovocitos entre otras.
  • También dicen que el éxito de detección del celo se encuentra por debajo del 50% en la mayoría de los grupos de ganado bovino.
  • También pretenden diseñar un sistema que permita llevar registro de más variables de cada res como lo son el peso, color, etc. Concluyendo con la temática enfocada en ciclo estral, indicadores del evento y tipos de sensores para su identificación.

6.1 INTERNET DE LAS COSAS (IoT)

  • Una evolución radical de la Internet actual en una red de objetos interconectados que no sólo recoge información del medio ambiente e interactúa con el mundo físico (actuación/comando/control), sino que también utiliza las normas de Internet existentes para proporcionar servicios de transferencia de información, análisis, aplicaciones y comunicaciones.
  • Para el 2013 había 9.000 millones de dispositivos interconectados y se espera que para el 2020 esta cifra alcance los 24 mil millones de dispositivos.
  • Sin embargo, a pesar de los enormes esfuerzos de los organismos de normalización, las alianzas, las industrias, los investigadores y otros, todavía hay numerosos problemas con los que lidiar para alcanzar todo el potencial de IoT.
  • Mark Weiser 45 , el antepasado de Ubiquitous Computing , definió un entorno inteligente como ''el mundo físico que está rico e invisiblemente entrelazado con sensores, actuadores, pantallas y elementos computacionales, integrado sin problemas en el día a día objetos de nuestras vidas, y conectados a través de una red continua''.
  • Estos dispositivos en miniatura denominados nodos se interconectan para formar Redes de Sensores Inalámbricos (WSN) y encuentran una amplia gama de aplicaciones en monitoreo ambiental, monitoreo de infraestructura, monitoreo de tráfico, venta minorista, etc. 47 .

Figura 1. Esquema de Internet de las Cosas que muestra los usuarios finales y las áreas de aplicación en función de los datos.

  • 50 El grupo RFID (Radio Frequency Identification), define el Internet de las cosas como la red mundial de objetos interconectados es direccionable de forma única según los protocolos de comunicación estándar.
  • Esto permite que las aplicaciones que tengan una larga duración se desarrollen utilizando los protocolos de ultima generaciones disponibles en un momento dado.
  • Esto causa desafíos de integración complejos 56 como uno de los principales problemas del desarrollo de IoT.
  • 52 J Bélissent, «Getting clever about smart cities: new opportunities require new business models», Forrester Research, Inc., 2010, p. 33.

6.2.3 Ciclo estral en bovinos

  • Los bovinos hembra se clasifican en: Poliéstricas continuas, las cuales presentan ciclo estral todo el año y solo se ve interrumpido durante el estado de embarazo.
  • Con ovulación y cuerpo lúteo; las cuales presentan ciclo estral espontaneo lo que prolonga la fase de anestro, aumentando la inactividad de la hembra.
  • Esta etapa presenta ausencia de cuerpo lúteo funcional; se evidencia crecimiento folicular, inicia con la regresión de cuerpo lúteo del ciclo anterior y finaliza con el inicio de la receptividad sexual, also known as  Pro-estro.

6. Liberación de ovocitos

  • Pero no todos estos aspectos antes mencionados son cuantificables como la receptibilidad sexual y la liberación de ovocitos.
  • Hay ciertos indicadores presentes en los fenómenos antes mencionados como el aumento de la temperatura, aceleración del ritmo cardíaco y aumento en la movilidad del bovino que sí son cuantificables y que permiten determinar el estado reproductivo del animal.
  • Estos parámetros pueden ser usados de manera independiente para detectar el estro o ser considerados de manera conjunta para obtener una sola señal indicadora.

6.3.2 Temperatura

  • Se debe tener en cuenta que, en los bovinos a mayor edad menor temperatura.
  • No obstante, la buena actividad estral se ve afectada por el factor ambiental, en particular las altas temperaturas del verano que debilitan la actividad estral normal ya que afecta la función ovárica lo que resulta infructuoso para realizar una buena producción ya sea por inseminación artificial o naturalmente.
  • Este es un método estándar para la detección del estro, pero resulta problemático para los ganaderos tomar las medidas de la RT regularmente para una gran cantidad de ganado.
  • Existen varios puntos para tomar las medidas de temperatura además de la vía rectal los cuales se observan en la figura 14.

6.4.3 Sensores de ritmo cardíaco.

  • Los sensores de pulso cardíaco o ritmo cardíaco son dispositivos que pueden ser utilizados por medio de encoders, entonces se pueden conectar estos sensores de manera exitosa.
  • Solo existen dos tipos de sensores de ritmo cardíaco uno óptico y el otro por pulsos físicos.

7.2 Diseño:

  • Teniendo claros los pasos anteriores se procede a diseñar un prototipo que integre lo mejor y más viable de los pasos anteriores como lo son:.
  • Tipos de red, tipos de sensores y el comportamiento promedio del animal; para lograr una interpolación de variables como temperatura, distancia recorrida por el animal y el pulso cardíaco perfectamente medibles y expuestas al usuario de manera clara.

7.2.1 Selección de Instrumentación:

  • Se requiere un dispositivo capaz de lograr la medición de todas las variables antes mencionadas para que el objetivo final que es predecir el ciclo de estro con una precisión bastante alta.
  • Por tal razón la aplicación de varios sensores es necesaria pero que al mismo tiempo sean confiables para que la medida tenga la menor incertidumbre posible.

8.1 DESCRIPCIÓN DEL LUGAR DE APLICACIÓN

  • Estas medidas también son proporcionadas por la herramienta de medición de Google Earth.
  • Dicha casa está ubicada justo antes de que empiece el potrero en el cual se encuentran los bovinos hembra.
  • En cuanto a los becerros que han nacido de los bovinos hembra anteriormente mencionados, en las figuras 30 y 31 se observan los dos más jóvenes y los tres más viejos respectivamente.
  • En cuanto a los dos más jóvenes, estos son los únicos que actualmente continúan alimentándose con leche de sus madres.
  • Los dos terneros más jóvenes actualmente en la finca.

8.2.2 Sensores de desplazamiento

  • Los bovinos hembra poseen la capacidad de correr en promedio alrededor de 40Km/h en su estado natural entonces para hacer una comparación entre la velocidad del bovino en el día estral conforme a su velocidad normal debe tomarse como punto medio 40Km/h.
  • Los acelerómetros funcionan por medio de varias placas flexibles separadas entre sí por un material dieléctrico para obtener una orientación general de la gravedad cuando sean energizados, la deformación de las placas genera una medida en 𝑚 𝑠 2 , según la calibración del dispositivo.

8.2.4 UNIDAD DE CONTROL Y UNIDAD DE COMUNICACIÓN

  • Aunque el módulo NodeMCU tiene características similares al módulo ESP8266, no son el mismo modulo.
  • Por otro lado, este módulo también tiene más pines GPIO, los cuales se pueden utilizar para propósitos generales como conversión ADC.

9 DISEÑO

  • Diagrama de componentes del sistema de monitoreo.
  • Diseño PCB sistema de monitoreo (Vista superior).
  • Diseño PCB sistema de monitoreo (Vista inferior).
  • Para esto cuenta con dos asas o aberturas estilo polea, que permiten colocar una correa.
  • Diseño de caja contenedora del sistema de monitoreo.

Fuente: Los autores

  • De manera que este sensor debe estar fuertemente asegurado para no perder datos ni introducir errores en las medidas.
  • Para obtener una captura de datos exitosa, este sensor debe estar ubicado justo debajo de la cubierta y aislado del resto del sistema, logrando así un contacto fijo sobre el murillo del animal donde se encuentra un punto de medida del ritmo cardíaco bovino.
  • Esquema básico de conexión del sensor SEN-11574.
  • El segundo sensor, el SEN DS18B20, mide la temperatura corporal de cualquier ser vivo con una precisión de ±0.5 ºC.
  • Esquema básico de conexión para el sensor DS18B20.

10.2 CARACTERIZACIÓN DE SENSORES

  • Para lograr obtener una calibración dentro de las incertidumbres teóricas de cada sensor, se utiliza un instrumento de referencia o instrumento patrón de medición confiable.
  • En esta figura se puede observar la caracterización del sensor de ritmo cardíaco SEN11574, tomando como referencia un estetoscopio común.
  • De esto se puede concluir que los datos adquiridos por el sensor de temperatura tienen poca incertidumbre y se otorga credibilidad a los datos obtenidos.
  • Este podómetro no es perfecto, pero sirve para identificar la precisión del sensor MPU-6050.

10.3 TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

  • Cada sensor hace uso de un código distinto para lograr una interpretación exitosa; pero al final todos los códigos convergen en uno solo que es ingresado a la tarjeta NodeMCU V3 por medio del IDE (Integrated Development Environment) de Arduino.
  • El tratamiento de información para el sensor de temperatura SEN DS18B20 se hace por una entrada digital del NodeMCU V3 de manera que toma muestras cada determinado tiempo establecido por el usuario para luego interpretar los datos y hallar la temperatura por medio de la fórmula descrita en el código.
  • Dentro del código se realiza una conversión de datos ya que inicialmente se captura velocidad angular en los tres ejes y luego esa velocidad angular se convierte en desplazamiento lineal en un solo eje.

10.4 SISTEMA DE TRANSMISIÓN

  • Para el sistema de transmisión se seleccionó la tecnología WIFI ya que cubre la extensión geográfica total del estudio además de que el área de estudio cuenta con señal para realizar cuantas transmisiones sean necesarias.
  • Cabe mencionar que cada envío de datos le cuesta al dispositivo un gran gasto de energía, de manera que los datos solo son enviados cada hora para un total de 730 envíos al mes.

11.1 PRUEBAS DEL SISTEMA DE MONITOREO EN EL CAMPO

  • En esta etapa, se realizaron tres pruebas.
  • Cada una de las pruebas fue mejorando con el tiempo, los datos obtenidos y a su vez calibrando los sensores para obtener una mejor medición de las variables.
  • Es importante mencionar que los dos animales de prueba no se encontraban en estaba de estro, por tanto, solo se obtienen datos de indicadores normales presentes en cualquier bovino hembra saludable.

11.1.1 Pruebas iniciales del sistema de monitoreo en el campo

  • Estas medidas no fueron del todo exitosas, ya que la abundancia de pelaje en esa zona no permitió que el sensor de ritmo cardíaco tomara medidas correctas.
  • Inicialmente se tiene un ritmo cardíaco de 103 pulsaciones por minuto, posteriormente baja a 84 pulsaciones por minuto, el cual es un valor relativamente normal en una vaca adulta (40-80 BPM).
  • Finalmente, bajó a 74 pulsaciones por minuto.
  • Estos resultados se encuentran dentro del rango esperado de medición.
  • Es importante mencionar que los resultandos obtenidos se grafican de forma lineal, tomando solo los valores del ritmo como números enteros, de manera que la gráfica termina siendo una recta debido al modo en que se envían los datos de forma digital y no análogos.

Temperatura vs Tiempo

  • Como se observa en la figura 62, las medidas obtenidas por el sensor de ritmo cardíaco, fueron más cercanas a las reales.
  • Esto fue porque una parte del cuello de la vaca estaba casi en su totalidad sin pelaje, lo que hacía que el sensor tocara directamente la piel.
  • Estas mediciones se encuentran dentro de los rangos de medición esperados.

11.2 RECEPCIÓN Y VISUALIZACIÓN DE LA INFORMACIÓN.

  • Los resultados obtenidos en la segunda prueba fueron satisfactorios omitiendo el hecho del daño que sufrió el sensor de ritmo cardíaco.
  • Es importante decir que encontrar un bovino hembra que este justo en el ciclo estral es bastante complicado debido a que habría que hacer pruebas al menos durante 2 meses para sustentar la diferencia entre ciclo normal o anestro y ciclo estral.
  • Entonces se concluye que estas pruebas solo son para probar la efectividad del método para monitorear el estado de los bovinos.
  • Estos resultados se encuentran dentro de los valores de ritmo cardíaco esperados.

12 CONCLUSIONES

  • Pese a que, cuando se implementó por primera vez el prototipo del sistema en el campo, la conexión que se tenía de los componentes hacía que la medición fuera un poco tediosa ya que, cuando la vaca se movía ocasionaba que estos se desconectaran haciendo que en los datos que se obtenían aparecieran errores.
  • Para la segunda prueba se mejoró este sistema, con esta mejora fue más fácil hacer las mediciones ya que, las conexiones estaban mejor hechas y permitían una mayor libertad de movimiento de la vaca antes de que fuera posible que se desconectaran (dicha desconexión no ocurrió en ningún momento).
  • ThingSpeak presenta ciertas limitaciones como la capacidad de almacenamiento que no supera los 6 meses ya que después de ese tiempo los datos son reiniciados, por tal razón se recomienda para trabajos futuros el almacenar datos en memorias estáticas extraíbles.

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SISTEMA ELECTRÓNICO PARA EL MONITOREO DE BOVINOS HEMBRA EN
SU CICLO ESTRAL
KEVIN SEBASTIÁN ROA PRIETO
LUIS CARLOS ROJAS SCARPETTA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ D.C.
2019

SISTEMA ELECTRÓNICO PARA EL MONITOREO DE BOVINOS HEMBRA EN
SU CICLO ESTRAL
KEVIN SEBASTIÁN ROA PRIETO
LUIS CARLOS ROJAS SCARPETTA
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO
ELECTRÓNICO Y DE TELECOMUNICACIONES
Director
JOSÉ ROBERTO CUARÁN VALENZUELA
INGENIERO ELECTRÓNICO, MSC.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ
2019

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Nota de aceptación:
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Bogotá, Noviembre de 2019

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PAGINA DEDICATORIA
Le dedico este trabajo a mis papás por haber formado parte del proceso de
desarrollo de este, también se lo dedico a toda mi familia, los cuales de una forma
u otra aportaron para que este trabajo se hiciera realidad.
También agradezco los esfuerzos y apoyos prestados por parte de los ingenieros y
laboratoristas de la Universidad Católica de Colombia que hicieron parte del diseño
e implementación del dispositivo.
Luis.
Agradezco el apoyo tanto financiero como emocional prestado por parte de mi
madre Claudia Prieto y mi padre Raul Roa quienes hicieron parte del proceso
desde el inicio hasta el fin de este trabajo de grado, no se me olvida mencionar a
mi hermano Brayan Roa quien presencio todo el evento generando una imagen
positiva para continuar con el proceso hasta el fin.
Por último, agradezco a mis abuelos, tíos, tías, primas y hermanas que hicieron
parte de alguna forma dentro del marco del proyecto.
Kevin.

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TL;DR: An overview of the Internet of Things with emphasis on enabling technologies, protocols, and application issues, and some of the key IoT challenges presented in the recent literature are provided and a summary of related research work is provided.
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01 Jan 2017
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