Series in instrumentation technology and applications

AppliedInstrumentationStudent works

Editors: Trinitat PradellJosé E. GarcíaOscar Casas

2020-2021 academic year

ÍNDICE

Prólogo 1

Trabajos 4

Técnicas de diagnóstico por imagen médica activa: PET-TAC 4 P. Gómez, M. Hérault, X. Povill, R. Pujadas, D. Quiles Ultrasons 3D per a la visualització no invasiva del cos humà 9 J. Elipe, J. Estany, S. Morales, M. Planasdemunt, P. Sindreu

El estrés en las plantas: ¿qué es y cómo se mide? 14 A. Scoles, C. Villalonga, G. Sionis, L. Cuevas, M. Gili

Telemetric or wearable systems to measure biopotentials in animals 19 K. Ballerini, A. Barbecho, O. Gelabert, L. Gómez, J. Serra

Powerless and Wireless Sensors for the Internet of Things 24 A. Galván, J. Hernanz, B. Ramis, L. San Martín, A. Seguí Rover Environmental Monitoring Station 28 P. Boira, M. Oriol, I. Pereira, A. Puiggròs, S. Torres

Sistemas de monitorización de especies y ambientes marinos 32 P. De Ramon, S. Iniesta, A. Sánchez, B. Soria. A. Zubiaur Sistema de control automàtic i aplicacions en l'agricultura 38

J. Sanz, M. de Miguel, A. Oriol

i

1

“Si bien nunca es seguro afirmar que el futuro de la ciencia física no tiene maravillas por descubrir aún más sorprendentes

que las del pasado, parece probable que la mayoría de los grandes principios subyacentes han sido ya firmemente

establecidos y que los avances hay que buscarlos principalmente en la aplicación rigurosa de estos principios a

todos los fenómenos que están bajo nuestra atención”

Robert S. Mulliken (Físico y químico. 1896-1986)

Prólogo

En momentos difíciles, la instrumentación electrónica da un paso al frente para situarse como pilar imprescindible en la búsqueda de soluciones óptimas. Sólo hay que pensar en toda la instrumentación presente en las unidades de curas intensivas de los hospitales, lamentablemente tan presente en el día a día del último año. Pero esos equipos son el resultado de un trabajo de muchos años, inicialmente centrado en el mundo industrial. Hasta la década de 1980, la medición industrial de magnitudes no eléctricas estaba algo restringida y la medición se centraba en gran medida en la electrónica analógica y los instrumentos de laboratorio de sobremesa. Durante los últimos 30 años, se ha producido un importante desarrollo de los medios de medición de magnitudes no eléctricas mediante el uso de la electrónica, tanto para las aplicaciones existentes como para las nuevas. También se ha producido un cambio hacia sistemas de medición en proceso, in situ, en línea y para pruebas automáticas. Los convertidores analógico-digitales de altas prestaciones han permitido generalizar este proceso de digitalización. Pero, además, cada una de las partes funcionales del sistema de medición ha avanzado gracias al uso de nuevas tecnologías, aunque las ciencias básicas y las metodologías fundamentales de medición se han mantenido en gran medida. La microelectrónica, los microordenadores y el almacenamiento digital fiable y de gran capacidad han permitido la inteligencia de los sistemas de medición, la miniaturización y el funcionamiento de bajo consumo. La explosión de nuevas tecnologías de sensado ha sido en gran parte el resultado del desarrollo y la utilización de materiales físicos, químicos y ahora biológicos. La óptica se ha unido a la electrónica para que las propiedades aislantes del vidrio y el fotón complementen las propiedades del cobre conductor y el electrón. Los instrumentos portátiles, los enlaces Ethernet y del sistema de posicionamiento global (GPS) y las redes de detección distribuida e inalámbrica están ampliando los lugares desde los que se pueden obtener resultados de medición. La fusión de datos digitales y el procesamiento de señales, el registro de datos digitales y la grabación de datos y el diagnóstico de señales digitales están ampliando las formas de ver, mantener y utilizar las señales eléctricas de medición.

2

Pero el futuro de la instrumentación no sólo está ligado a los desarrollos físicos y electrónicos, muy importantes, sino también a la creatividad de los ingenieros actuales y futuros.

Este libro recoge los trabajos realizados por los alumnos de Ingeniería Física de la Universitat Politècnica de Catalunya dentro de la asignatura de Instrumentación en el curso académico 2020-21, y presentan el uso de modernas técnicas instrumentales en muy diferentes ámbitos de aplicación. Van desde la instrumentación para supervisar plantas, hasta los sistemas de medida embarcados en los rovers que caracterizan planetas como Marte. Esperamos que su lectura sea una motivación que permita, en un futuro no muy lejano, el desarrollo por alguno de vosotros de alguna técnica instrumental que supere el estado del arte presentado en este libro.

Barcelona, Junio de 2021

Trinitat Pradell José E. García

Oscar Casas Profesores de la asignatura de Instrumentación

3

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

Técnicas de diagnóstico por imagen médica activa: PET-TAC

P. Gómez, M. Hérault, X. Povill, R. Pujadas, D. QuilesInstrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.

Campus Nord, 08034 Barcelona

Una de las claves en el tratamiento de enfermedades es el diagnóstico de las mismas. Es por eso que el desarrollo de procedimientos que permiten tomar imágenes de áreas específicas del interior del cuerpo humano sin necesidad de intervención física (como el PET y el TAC) son de gran ayuda frente a métodos invasivos (biopsia, endoscopia). En este trabajo se analiza la evolución y características de los primeros.

Palabras clave: PET, TAC, imagen médica, tomografía, positrones, radiofármacos

I. INTRODUCCIÓNLa diagnosis por imagen médica es el conjunto de

técnicas para crear imágenes digitalizadas del cuerpo humano con propósitos médicos. Abarca una gran variedad de procedimientos en mayor o menor medida invasivos. Esta revisión se centra en el PET (Positron Emision Tomography) y el TAC (Tomografía Axial Computeri-zada). Esta área de la medicina, basada en la detección de la radiación causada por la interacción de radiofármacos con el interior del cuerpo humano, ha estado en continua evolución desde mediados del siglo XX. Las mejoras técnicas y avances, tanto en la instrumentación como en el desarrollo de nuevas sustancias químicas, han permitido aumentar la sensibilidad y reducir los costes de los dispositivos con los que se llevan a cabo. A continuación se analiza su historia, principio físico, componentes, aplica-ciones y se profundiza en el proceso de reconstrucción de las imágenes que son finalmente usadas como base para evaluar médicamente al paciente.

II. HISTORIALa idea de usar isótopos radiactivos como trazadores en

el estudio de procesos químicos fue desarrollada inicialmente por el premio Nobel de química George de Hevesy [1]. La capacidad de detección de pequeñas masas moleculares de dichos trazadores (sensibilidad de la tomografía) depende de dos factores: la actividad del radiofármaco y la resolución a la hora de localizar el par electrón-positrón que se aniquila dando lugar al par de fotones que son detectados. Las investigaciones en radioquímica han permitido sintetizar compuestos como el 18FDG que maximizan la cantidad de sustancia inyectada que es detectada. Se exponen a continuación los avances en los métodos de detección en la PET que han permitido aumentar la sensibilidad en un factor de 40 desde que el primer dispositivo salió a la luz en 1953. [2]

En ese año, basándose en trabajos previos de Wrenn et al. [3], Brownell y Sweet, del Massachussets General Hospital

(MGH), desarrollaron un dispositivo consistente en dos detectores de yoduro de sodio que se colocaban a ambos lados de la cabeza para así derivar la distribución (2 dimensional, por el momento) del 74As que se había inyectado en el paciente para localizar posibles tumores cerebrales [4].

En 1961, Rankowitz et al. [5] desarrollaron un sistema de 32 detectores rodeando la cabeza que Anger implementó consiguiendo una resolución de localización del par electrón-positrón aniquilado de 9mm [6]. El equipo del MGH dirigido por Brownell desarrolló a finales de la década una cámara de positrones que reducía costes y aumentaba la resolución espacial gracias a un sistema de codificación más eficaz [7].

FIG. 1. Evolución de los escáneres PET y PET/CT a lo largo de la historia: de izqda.. a dcha., de arriba a abajo, prototipos de Brownell [4]; de Rankowitz [5]; cámara de positrones del MGH [2]; ECATII [10]; PRT-1 (modelo y fotografía) [2]; ECAT EXACT3D [2]; escáner PET móvil; Siemens Biograph mCT [2]; EXPLORER [23]

4

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

Por esas mismas fechas, Hounsfield [8] conseguía llevar a la práctica la Tomografía Axial Computerizada, rotando un tubo de rayos X alrededor del paciente para evaluar las atenuaciones de la radiación al atravesar los tejidos del mismo. Por esta invención se llevó el Premio Nobel de Medicina en 1979 junto a Cormack, quien sentó las bases teóricas de dicha técnica [9].

El interés comercial por estas técnicas impulsó en los siguientes años diseños de prototipos que mejoraban continuamente las prestaciones. En la búsqueda de minimizar el ruido debido a dispersión, se desarrolló el ECAT II [10], ampliamente utilizado en centros de investigación de todo el mundo, que empleaba una distribución hexagonal de los detectores que permitía la obtención de imágenes en un plano transaxial. El número de planos transaxiales que se podían analizar simultáneamente aumentó a 5 gracias al uso de un nuevo diseño de detectores de germanato de bismuto (BGO). [11]

Los primeros escáneres PET comerciales que salieron al mercado usaban anillos de detectores separados por finas láminas de tungsteno (conocidas como septa), que pese a reducir el tiempo necesario para obtener imágenes, tenían poca sensibilidad. En los 80 y los 90, se probaron distintas alternativas sin septa, desde el PRT-1 (de bajo coste) hasta el desarrollo del ECAT EXACT3D (con una resolución de 4 mm). [2]

Toda esta evolución llegó a un punto álgido cuando se consiguió unir las técnicas de PET y TAC en un mismo aparato: el escáner PET/CT, invento del año 2000 según la revista TIME [12]. A lo largo de los últimos años, se han ido desarrollando prototipos para órganos en específico del cuerpo y se han ido implementando técnicas para conseguir imágenes de cuerpo entero.

III. PRINCIPIOS FÍSICOS DEL PET.COMPONENTES

A diferencia de otros métodos de tomografía como el TAC, el escáner PET se caracteriza porque la emisión de radiación que utiliza para tomar imágenes se encuentra dentro del objeto a analizar en lugar del exterior.

Para poder producir esta radiación interior, se introducen una serie de isótopos radiactivos de corta vida dentro del sujeto (normalmente en una sustancia puente). Una vez dentro del cuerpo, estos núcleos inestables se transforman mediante desintegración Beta (fuerza nuclear débil).

Existen dos tipos de desintegraciones, la positiva y la negativa. Las dos consisten en alteraciones de núcleos atómicos inestables. • β − : Dado un núcleo atómico inestable con un exceso

de neutrones, uno de estos neutrones se convierte en unprotón dando lugar a un electrón y un antineutrino:

en p e ν+ −→ + +

• β + : Propia de los núcleos atómicos inestables conexceso de protones. Un protón se descompone en unneutrón junto a un positrón y un neutrino:

ep n e ν+ +→ + + Como bien indica su nombre, el PET se basa en el uso de

positrones. Por tanto, emplea núcleos inestables capaces de generar una desintegración Beta positiva.

Esos positrones tienen una vida corta (~1mm) [2] donde van perdiendo energía hasta que chocan con otro electrón. Ambos se aniquilan produciendo dos rayos gamma de 511keV de misma dirección y sentido contrario debido al principio de conservación de energía y momento.

Finalmente, un sistema de detectores envolvente registra los diferentes rayos gamma. El sistema de detección está basado en una serie de anillos compuestos de un orden matricial de cristales de centelleo junto a fotomul-tiplicadores. Cuando un rayo gamma pasa por un cristal, excita electrones provocando un impulso eléctrico.

Ahora bien, no todos los fotones detectados serán fuentes fiables para la imagen. Como los rayos gammas provenientes de los núcleos tienen la misma dirección y sentido opuesto, sólo serán buenas las detecciones de pares de fotones en un mismo instante (5~10ns). Uniendo sus posiciones podemos saber la recta sobre la que se encuentra el punto de origen. Repitiendo este proceso con detecciones diferentes, podemos encontrar los puntos más activos de emisión con la superposición de las diferentes rectas.

FIG. 2. De izqda. a dcha., ejemplos de detección errónea por fotones dispersados, detección correcta y detección errónea por coincidencia de eventos. [24]

No obstante, hay que tener en cuenta dos posibles fuentes de error. En primer lugar, los fotones pueden chocar con los electrones del medio a través del efecto Compton. En ese caso, su trayectoria se vería desviada y el origen no estaría sobre la recta que une las detecciones. Para solucionar este problema, se descartan los fotones por debajo de un mínimo energético. En segundo lugar, puede haber detecciones erróneas por coincidencia de 4 fotones diferentes o más. Este error es más difícil de eliminar y se intenta estimar estadísticamente.

En último lugar, otro efecto importante a considerar es la atenuación de los fotones debido a la interacción con el medio. Esto puede provocar que las imágenes queden difuminadas e imprecisas. La solución se encuentra en las pruebas TAC.

5

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

IV. PRINCIPIOS FÍSICOS DEL TAC.COMPONENTES

Para mejorar la falta de precisión en el escáner PET se suele hacer simultáneamente a esta una tomografía axial computarizada (TAC). Como se ha comentado antes, el escáner PET se sustenta en la radiación de isótopos radiactivos del interior del paciente, lo que permite generar un mapa de las vías metabólicas que están activas en los tejidos o las células [13]. Por otro lado, mediante la tomografía computarizada se obtienen imágenes tridimensionales o bidimensionales (de secciones internas) de los tejidos y órganos. La superposición de los dos tipos de escáneres permite una mayor precisión en la capacidad de diagnosis, ya que permite situar y visualizar con mayor exactitud todos los componentes de interés.

La superposición de imágenes PET-TAC muestra la posición de las vías metabólicas con referencia a los órganos y tejidos, por lo que resulta beneficioso la toma conjunta de datos en vez de hacer las pruebas individualmente. Por esa razón, el sistema de TAC suele estar integrado junto al escáner PET. Para hacer la tomografía computarizada el paciente se sitúa estirado en una plancha motorizada que lo mueve a través de una apertura circular donde se encuentra el equipo [14]. Una vez el paciente está dentro de la apertura, un sistema compuesto por una fuente de rayos-X y un detector gira alrededor de él. En cada giro la fuente produce una fina capa de rayos en forma de abanico que pasan por una sección del paciente y llegan al detector, lo que permite obtener una imagen en dos dimensiones de esa sección.

Como el sistema fuente-detector va girando, se obtienen imágenes con diferentes ángulos, lo que permite reconstruir posteriormente con ordenador una imagen con volumen y profundidad de esa sección en particular. El proceso se repite por distintas láminas y se unen los resultados de las secciones para obtener una imagen tridimensional de los tejidos y órganos de la sección. Los sistemas de tomografía computarizada más modernos ya no toman imágenes de secciones individuales para hacer la posterior unión de secciones, sino que el sistema fuente-detector gira de forma helicoidal alrededor del paciente, lo que permite obtener imágenes tridimensionales de mayor calidad y lograr una mayor rapidez, reduciendo la radiación recibida por el paciente.

V. APLICACIONESActualmente, la principal aplicación del PET es en el

campo de la oncología. Normalmente, como radiofármaco se usa 18FDG. Es seleccionado porque se trata de un análogo de la glucosa, y una vez administrado al paciente, es transportado con el mismo mecanismo que ésta. Sin embargo, una vez absorbido por la célula, no es metabolizado, y por tanto se acumula. Esta absorción, se produce principalmente por aquellas células con elevadas

tasas de consumo de glucosa, como el cerebro, el riñón y las células cancerígenas [15], que son las áreas que aparecen destacadas en la imagen obtenida por el instrumento.

El uso de 18FDG para realizar un escáner PET se ha convertido en el principal procedimiento clínico para la detección y evaluación de la respuesta al tratamiento del cáncer, aunque más recientemente se han producido avances significativos al usar biomarcadores de cánceres específicos. Un ejemplo de esto, es la introducción de anticuerpos, que al tardar más en incorporarse a los tejidos tumorales hacen necesario el uso de radionucleidos con vida media más larga, como el 89Zr, con una vida media de 78,4h [2]. El único inconveniente del PET, es que sólo nos permite conocer la ubicación de los tumores, pero no su tamaño; por eso, como se ha indicado anteriormente, se suele combinar con una prueba TAC.

Las aplicaciones de esta técnica también se extienden a los campos de la neurología y la cardiología. La técnica PET permite estudiar enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer o el Parkinson, mediante el estudio del flujo sanguíneo cerebral y su metabolismo [2]. De igual manera, se han llevado a cabo estudios para ver si la Tomografía por Emisión de Positrones puede aportar información diagnóstica en los casos en que la Resonancia Magnética no es capaz de localizar de forma precisa la zona cerebral responsable de las crisis epilépticas. Estas investigaciones han concluido que se trata de una técnica útil en la valoración prequirúrgica de estos pacientes [17].

En cardiología, se usa para diagnosticar enfermedades cardíacas estudiando el flujo sanguíneo del miocardio, permitiendo así poder detectar enfermedades coronarias [16]. Para eso se hace una inyección intravenosa de algún trazador radioactivo. La ventaja de la detección más específica de estas enfermedades es que se puede someter a los pacientes a técnicas más precisas, como la revascularización miocárdica, y así evitar un trasplante de corazón.

VI. RECONSTRUCCIÓN DE IMAGENComo se ha visto antes, un escáner PET detecta los pares

de fotones emitidos en direcciones opuestas durante la desintegración del positrón. Ahora bien, para obtener una imagen del paciente, es necesario saber en qué punto de la recta que los une se desintegró el positrón.

Una de las primeras propuestas (ya en los primeros prototipos de los años 60) es el método TOF (time of flight). Éste se basa en utilizar la diferencia entre los tiempos de llegada de los dos fotones para calcular su posición de origen. El problema de este enfoque es que para una resolución de tiempo típica de 600ps, la incertidumbre en la posición puede llegar a los 9cm [18]. Así pues, la mayoría de escáneres modernos sólo utilizan el TOF como una medida accesoria para eliminar el ruido, y reconstruyen la imagen a partir de la intersección de las señales detectadas.

6

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

Esta reconstrucción de la imagen se puede realizar de manera determinista, usando la transformada inversa de Radon, o con técnicas estocásticas, a partir de métodos iterativos. En la práctica se acostumbra a preferir el enfoque estocástico, pues los modelos deterministas acostumbran a producir más ruido y a distorsionar la imagen con artefactos lineales [19].

El método estocástico más utilizado es el EM (Expectation Maximization), propuesto por primera por Shepp y Vardi [20]. Este método parte de una estimación a priori de la imagen y, en cada iteración, calcula cuál sería la señal detectada a partir de esa imagen, la compara con la señal real, y actualiza la estimación de la imagen a partir de la diferencia entre las dos señales. Se puede demostrar que este método converge al estimador de máxima verosimilitud (MLE), que es asintóticamente insesgado y eficiente (alcanza la cota de varianza de Cramer-Rao). El problema del MLE es que su varianza acostumbra a ser muy alta (y esto se traduce en ruido en la imagen reconstruida). Para resolverlo, se pasa la imagen por un filtro de paso bajo o se para el proceso iterativo al cabo de 20-50 iteraciones (ya que el proceso iterativo reconstruyeprimero los componentes de baja frecuencia de la imagen).[19]

Existe una mejora de este método llamada OSEM (Ordered Subsets Expectation Maximization) en el que se particiona el espacio de proyección en varios trozos y se aplica el algoritmo iterativo en cada uno de ellos de manera separada [21]. No está garantizado que este método converja al MLE, pero en la práctica su velocidad de convergencia es mucho más alta, al precio de un ligero incremento de la varianza [19]. También se han propuesto métodos Bayesianos, en los que se utilizan escáneres previos del paciente como información a priori, pero no se emplean habitualmente en la práctica clínica, por el reto que supone establecer una prior adecuada para cada paciente [19].

En los últimos años se han comenzado a utilizar técnicas de aprendizaje automático para procesar las imágenes resultantes y eliminar parte del ruido. Además, recientemente se ha propuesto el uso de redes neuronales convolucionales en el esquema iterativo de reconstrucción [22]. Es de esperar que este tipo de técnicas ganen importancia a lo largo de los próximos años y empiecen a utilizarse en la práctica clínica.

VII. FUTUROComo hemos visto, las técnicas de diagnóstico por

imagen activa médica han mejorado ostensiblemente a lo largo del último medio siglo. Como comparación de la evolución del campo de la tomografía médica, el ECATII (1976) tenía 66 detectores y una sensibilidad del 0.16%. Un escáner PET/CT actual (Siemens Biograph mCT) tiene 32448 detectores y una sensibilidad del 6.4%, lo que supone un aumento en un factor de 40. En los próximos años, está previsto que salga al mercado EXPLORER [23], el primer escáner PET/CT de cuerpo entero, cuya sensibilidad supondrá un aumento hasta en un factor de 400 con respecto a los dispositivos actuales, ya que su campo de visión es mucho mayor (2m vs 25 cm), y con una resolución de 4mm.

VIII. CONCLUSIONESEl PET-TAC es una técnica muy útil que sirve para

estudiar patologías muy diversas y así conseguir una detección más precoz y precisa para un tratamiento más específico, sin necesidad de recurrir a métodos invasivos potencialmente perjudiciales para el paciente. Los avances científicos que se van produciendo favorecen que esté en continuo desarrollo y mejora.

La interdisciplinariedad está muy presente en este campo: son necesarias aportaciones tanto de los campos de la física, la química, la medicina y la biología, como de las matemáticas y la ingeniería. Las mejoras de los instrumentos, con técnicas innovadoras que permiten incrementar su resolución y eficacia, son claves para poder implementar los nuevos descubrimientos.

Todo esto, junto con la reciente incorporación de técnicas de procesamiento de datos a gran escala, permite vislumbrar un futuro donde estos aparatos aumenten sus prestaciones (y por ende la cantidad de personas a las que sirva de ayuda) de forma exponencial.

IX. AGRADECIMIENTOSQueremos agradecer a los profesores de la asignatura de

instrumentación Jaime Óscar Casas y Trinitat Pradell por su disponibilidad y entusiasmo a la hora de resolvernos las dudas que nos han surgido a lo largo del proyecto.

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1943/summary/ [visitado el 25/05/2021]

[2] T. Jones & D. Townsend, “History and future technicalinnovation in positron emission tomography”, J. ofMedical Imaging, 4(1), 011013 (2017). doi:10.1117/1.JMI.4.1.011013

[3] F. R. Wrenn, Jr., M. L. Good, & P. Handler, “The useof positron emitting radioisotopes for the localization

of brain tumors”, Science, 113(2940), 525–527 (1951). doi: 10.1126/science.113.2940.525

[4] G. L. Brownell & W. H. Sweet, “Localization of braintumors with positron emitters” Nucleonics 11(11), 40–45 (1953). [recuperable en M. Brucell et al.,“Radioisotopes in Medicine: A Course Given by theOak Ridge Institute of Nuclear Studies”, US AtomicEnergy Comission, 1953, 211-219,https://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=5Szjf7qyM2gC&oi=fnd&pg=PA211]

7

TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN MÉDICA ACTIVA: PET-TAC

[5] S. Rankowitz et al., “Positron scanner for locatingbrain tumors”, Inst. Radio Eng. 9, 49–56 (1961). doi:10.2172/4736421

[6] H. O. Anger & D. C. Van Dyke, “Human bone marrowdistribution shown in vivo by iron-52 and the positronscintillation camera”, Science 144, 1587–1589 (1964).doi: 10.1126/science.144.3626.1587

[7] C. A. Burnham & G. L. Brownell, “A multi-crystalpositron camera”, IEEE Trans. Nucl. Sci. 19(3), 201–205 (1972). doi: 10.1109/TNS.1972.4326726

[8] G. N. Hounsfield, “Computerized transverse axialscanning (tomography): part 1. Description of system”,Br. J. Radiol. 46(552), 1016–1022 (1973). doi:10.1259/0007-1285-46-552-1016

[9] https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1979/summary/ [visitado el 25/05/2021]

[10] C. W. Williams, M. C. Crabtree & S. G. Burgiss,“Design and performance characteristics of a positronemission computed axial tomograph -ECAT®-II”,IEEE Trans. Nucl. Sci. 26(1 Part 1), 619–627(1979).doi: 10.1109/TNS.1979.4329699

[11] E. J. Hoffman, M. E. Phelps, and S. C. Huang,“Performance characteristics of a multiplane positrontomograph designed for brain imaging”, J. Nucl. Med.24(3), 245–257 (1983). [recuperable enhttps://jnm.snmjournals.org/content/jnumed/24/3/245.full.pdf]

[12] http://content.time.com/time/subscriber/article/0,33009,998685-1,00.html [visitado el 25/05/2021]

[13] https://www.cancer.gov/espanol/cancer/diagnostico-estadificacion/hoja-informativa-tomografia-computarizada [visitado el 24/05/2021]

[14] https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/medical-x-ray-imaging/computed-tomography-ct [visitado el 24/05/2021]

[15] http://www.curiumpharma.es/fdg/#:~:text=La%2018F%2Dfludesoxiglucosa%20(FDG),m%C3%A1s%20utilizado%20en%20la%20PET. [visitado el 25/05/2021]

[16] M. Beretta, “Avances en cardiología nuclear: PET, elsiguiente paso”, Rev. Urug. Cardiol., [online] 26(2),147-157 (2011) [recuperado dehttp://www.scielo.edu.uy/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1688-04202011000200011]

[17] S. Rubí, “Aplicación de la tomografía por emisión depositrones cerebral con dilerentes radiotrazadores enla valoración prequirúrgica de pacientes conepilepsia” [disponible enhttp://hdl.handle.net/10803/291558]

[18] J.S. Karp, “Time-of-Flight PET”. PET Center ofExcellence Newsletter, [online] 3(4) (2006).Disponible en: https://s3.amazonaws.com/rdcms-snmmi/files/production/public/docs/PETCENews_Fall06.pdf [visitado el 24/05/2021].

[19] A. Alessio & P. Kinahan, “Improved quantitation forPET/CT image reconstruction with system modeling

and anatomical priors”, Med Phys. 2006 Nov; 33(11):4095-103. doi: 10.1118/1.2358198.

[20] Shepp & Y. Vardi, "Maximum LikelihoodReconstruction for Emission Tomography", IEEETrans Med Imaging, vol. MI-1, pp. 113-122, 1982. doi:10.1109/TMI.1982.4307558

[21] M. Hudson & R. S. Larkin, "Accelerated imagereconstruction using ordered subsets of projectiondata", IEEE Trans Med Imaging, vol. 13, pp. 601-609,1994. doi: 10.1109/42.363108

[22] K. Gong et al., “Iterative PET Image ReconstructionUsing Convolutional Neural Network Representation”,IEEE Trans Med Imaging, vol. 38, no. 3, pp. 675-685,March 2019. doi: 10.1109/TMI.2018.2869871

[23] R.D. Badawi et al., “First Human Imaging Studies withthe EXPLORER Total-Body PET Scanner”, Journal ofNuclear Medicine 60 (3) 299-303 (2019), doi:10.2967/jnumed.119.226498

[24] http://depts.washington.edu/imreslab/2011%20Lectures/IntroPET_2011_SRB.pdf [visitado el 23/05/2021]

8

Ultrasons 3D per a la visualització no invasiva del cos humà

Jon Elipe, Jaume Estany, Sebastian Morales, Martí Planasdemunt, Pau Sindreu

Instrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.Campus Nord, 08034 Barcelona

Els ultrasons són ones sonores útils per a l’obtenció d’imatges de l’interior del cos humà de forma noinvasiva. L’objectiu de l’article és introduir, resseguir i entendre la recent implementació d’aquestatecnologia per a l’obtenció d’imatges tridimensionals. També es fa referència a les aplicacions, novestècniques i possibilitats que ofereix en l’actualitat.

Paraules clau: ultrasò, piezoelèctric, reflexió, imatge, bombolles d’hidrogen.

I. INTRODUCCIÓ

L’obtenció d’imatges de l’interior del cos humà és unelement indispensable en la medicina moderna, ja que enspermet, entre d’altres, detectar malalties i irregularitats, ivisualitzar el fetus durant l’embaràs. La tècnica delsultrasons, juga, per tant, un paper molt important, ja que através de la transmissió d’energia sonora d’alta freqüència,s’aconsegueixen tots aquests objectius, sense la necessitatd’exposar-se a radiació ionitzant. Com que les imatgesd’ultrasons en 3D són capturades en temps real, es potveure el moviment dels òrgans interns i de la sang, i gràciesa l’avenç en la microelectrònica que es troba darrered’aquesta tècnica, els sistemes que poden ser estudiats sóncada cop més i més complexes.

II. PRINCIPIS FÍSICSCom bé sabem, el so viatja com ones longitudinals en lesquals les oscil·lacions es produeixen en la mateixa direccióa la que es propaga, cadascuna de les quals estàcaracteritzada per una amplitud, freqüència, longitud d’onai un període. El què diferencia els ultrasons de la resta ésque estan formades per ones de so amb una freqüènciasuperior a 20 kHz, indetectable per l’oïda humana. Fins i totpoden arribar a ser 15MHz en diagnosis mèdica.

II.I. Generació d’ultrasons:Els ultrasons poden ser generats per cristalls piezoelèctrics.Aquest materials contenen dipols elèctrics orientats

aleatòriament, els quals són ordenats quan se’ls aplica unadiferència de potencial, causant així una deformaciómecànica en el cristall. Aquesta deformació formarà unfront de pressió que donarà lloc a zones de compressió irarefacció (disminució de densitat) a mesura que l'ona espropaga per el medi.

II.II. Fenòmens de transportA mesura que l’ona ultrasònica viatja pel medi es pot trobaramb substàncies o teixits amb diferent impedància acústica,és a dir, amb més o menys resistència al pas d’energia delsultrasons: Z=ρ·vCom més gran és aquesta impedància menys energiatravessa. Altrament, les ones poden ser reflectides,(scattered) o atenuades.

● Reflexió: quan d’ultrasò es troba un material o unteixit amb diferent impedància acústica, una partde la seva energia serà reflectida cap al transductord’ultrasons. Hi ha una màxima reflectància en lesinterferències on trobem una diferenciasignificativa entre les impedàncies, hi haurà unareflexió gairebé completa. Aquestes àrees de granreflectància apareixen en les imatges com línies otaques blanques i s'anomenen reflectors especularscom pot ser els ossos.

● Dispersió: es produeix quan una ona sonorad’ultrasó colpeja una estructura amb unaimpedància acústica heterogènia i menor a lalongitud d’ona de l’ona incident. Aquestes

1

9

substàncies que causen dispersió són per exempleglòbuls vermells i petites irregularitats superficialsdels òrgans. Quan les ones xoquen aquestessubstàncies, les ones s’escampen en múltiplesdireccions, el resultat és que els ecos dispersosamb intensitat més petita interaccionen entre ells ipoden formar interferència constructiva idestructiva. Aquestes ones disperses donenl’aspecte gris granulat d’òrgans.

● Refracció: es produeix quan l’ona d’ultrasòtravessa la interfície entre dos medis i l’ultrasò ésdesviat de la seva direcció inicial, seguint la llei deSnell.

● Atenuació: procés en el qual les ones d’ultrasonsdisminueixen tant en amplitud com en longitudd’ona en passar pels teixits del cos. L'atenuació deles ones d'ultrasons es produeix principalment amesura que l'energia mecànica de l'ona sonora esconverteix en calor i és absorbida pels teixits itambé per la dispersió.Les longituds d'ona d'alta freqüència s'atenuen auna distància més curta en comparació amb leslongituds d'ona de baixa freqüència. Per tant, perobtenir imatges de teixits més profunds sónnecessàries longituds d’ona de freqüència mésbaixa. No obstant això, longituds d'ona defreqüència més alta produeixen una imatge deresolució molt més alta. Per tant, a la imatged’estructures més profundes mitjançant elsultrasons de freqüència inferior hi haurà unsacrifici en la qualitat de la imatge.

II.III. Efecte Doppler.Aquest fenomen consisteix en el canvi de freqüència d’unaona com a resultat del moviment relatiu entre l’emissor i elreceptor d’aquesta. Per tal d’entendre l’origen del fenomencal estudiar la situació en què un emissor produeix una onasonora durant un cert temps. A mesura que l’ona viatja perl’espai, els fronts d’ona s’expandiran en forma d’esferesconcèntriques a l’emissor. Si el receptor es troba estàticrespecte l’emissor, percebrà que els fronts d’ona arribenigual d’espaiats (amb la mateixa longitud d’ona ofreqüència) que com han estat generats. En canvi, siexisteix un moviment relatiu entre emissor i receptor,aquest últim percep els fronts d’ona més espaiats (emissor ireceptor s’allunyen l’un respecte l’altre) o menys espaiats(emissor i receptor s’apropen). El fet que al receptor liarribin els fronts d’ona més o menys espaiats en

comparació amb com han estat emesos implica un canvi enla freqüència de l’ona.

En el cas d’interès, s’aprofita l’efecte doppler per deduir lavelocitat de la sang (principalment glòbuls vermells)respecte el sensor piezoelèctric.El camí que segueix l’ona consta de dues etapes: la primera,en què l’emissor és el sensor piezoelèctric i el receptor és lasang i la segona en què, després de la reflexió de l’ona,l’emissor és la sang i el receptor és el sensor piezoelèctric.Mitjançant la relació:

on Fd és el canvi de freqüència per efecte Doppler,

Ft és la freqüència original de l’ona emesa,v és la velocitat del reg sanguini,θ és l’angle que formen la velocitat del regsanguini amb el feix d’ones sonores ic és la velocitat de les ones sonores en el teixit,

es poden arribar a conèixer les característiques de lavelocitat del reg sanguini en base a analitzar el canvi defreqüències per efecte Doppler.

II.IV. Modes d’imatgesII.IV.I. Mode AEl més bàsic i antic (gairebé obsolet). Un únic sensor enviaun pols d’ona al medi. Com a conseqüència, es genera unaimatge unidimensional d’una sèrie de pics verticals amesura que les ones reflexades per les superfícies delsdiferents teixits arriben al sensor. Aquests pics estan situatsal llarg de l’eix x en funció de la profunditat a què es trobiel teixit i la seva alçada indiquen la intensitat de l’onareflexada. La distància entre teixits pot ser calculadadividint la velocitat de l’ona en el teixit per la meitat deltemps que transcorre entre pic i pic.

Fig.II.IV.I.I. Imatge obtinguda amb el mode A. Extret de[2]

2

10

II.IV.II. Mode BConsisteix en una imatge bidimensional de l’àreaescanejada per una matriu de diversos sensorspiezoelèctrics. L’amplitud i distància entre pics de la imatgeobtinguda pel mode A és traduïda a punts de diferentbrillantor en el mode B. Els eixos vertical i horitzontalrepresenten distàncies, mentre que la intensitat del color enl’escala de grisos indiquen la intensitat de l’ona detectada,tal que les zones reflectides corresponen a àrees on les onessón altament reflectides i les negres a àrees on no s’hireflecteixen..

En aquest mode s’implementa la tècnica basada en l’efecteDoppler. A partir de la informació rebuda en el canvi defreqüències, un mapa de colors se superposa sobre laimatge obtinguda per mode B. D’acord amb la barra decolors situada en la part superior esquerra de la figuraII.IV.II.I., els colors vermellosos representen les velocitats aquè el reg sanguini s’acosta al sensor, i els colors blavososindiquen les velocitats a què s’allunya.

Fig. II.IV.II.I.Imatge obtingudaamb el mode B.Extret [2].

II.IV.III Imatges 3D

L’obtenció d’imatges 3D és un camp d’investigació idisseny actiu i divers. Existeixen 4 mètodes de treball:matrius de transductor 2D, sondes mecàniques 3D,localitzadors mecànics i ‘freehand’ scanners. A continuacióexposem el mètode de la matriu de transductor, que és elmés utilitzat actualment degut a la seva rapidesa enl’obtenció d’imatges i comoditat d’ús (poc movimentmecànic). Es basa en els fonaments del que ja coneixempels modes d’imatges anteriors.

Una senyal consta de N fronts d’ona consecutius. Aquestaés generada per una matriu de sensors similar a la del modeB. Quan aquesta matriu de sensors transmet una senyal, Nfronts d’ona plans inclinats N angles diferents sóntransmesos gairebé simultàniament al medi. Cadascunad’aquestes ones és generada enviant una senyal Sij(t) a tots

els elements (i,j) de la matriu. Per tal d’evitar solapamentsentre fronts d’ona, cadascun d’ells és separat una constantde temps τk.

La senyal rebuda a la tornada conté ecos barrejats delsdiferents fronts d’ona emesos. Aquesta senyal ésdescodificada sumant els ecos de les successives recepcionsinvolucrant-hi les anomenades matrius de Hadamard. Lasuma permet la reconstrucció artificial dels ecos decadascuna de les ones planes inclinades.

Considerant que cadascun dels M transductors de la matriurep una senyal, i sabent que la quantitat M acostuma a sermolt gran (una matriu típica és de 60x60), hi ha unaquantitat enorme d’elements treballant a la vegada. Si cadatransductor està connectat a un cable, els requeriments deconstrucció i les dimensions són grans i cars. S’acostuma,doncs, a treballar en fases: la matriu general es divideix ensubmatrius i, llavors, es va alternant l’activació idesactivació del funcionament d’aquestes.

Fig. II.V.III.I Matriu de transductors i fronts d’onaconsecutius. Extret de [4].

Fig. II.IV.III.II.Imatgeobtinguda ambtècnicaultrasons 3D.Extret de [4].

3

11

III. IMPLEMENTACIÓ ELECTRÒNICAEl sistema d’ultrasons consisteix bàsicament en un dissenyde la transmissió i recepció del senyal de tal manera que elresultat posterior en la imatge sigui correcte. Per obtenir-ho,és essencial la sincronització dels circuits transmissor ireceptors, que s’aconsegueix mitjançant un rellotgesincronitzador. El procés de transmissió consisteix en polsd’alt voltatge, que un cop arriben al piezoelèctric esconverteixen en ones sonores. Generalment, és el mateixpiezoelèctric el que actua com a receptor de les onesprovinents del medis estudiats i ho converteix en senyalelèctrica; hem d’implementar un T/R Switch ques’encarregui de desactivar el circuit receptor quan arribin elpulsos d’alt voltatge.Poden aparèixer petites discrepàncies en la sincronització,causades pel soroll de fase, interferèncieselectromagnètiques,etc. que resultin en errors en lavisualització del medi; per reduir-les al màxim, la fontd’alimentació es connecta a un rellotge d’entre100kHz-1MHz, que ajuda a reduir les discrepàncies delcanvi T/R..

També ens cal implementar un sistema d’amplificadors desenyal: com que la senyal, a mesura que avança pel cos,s’atenua (perd energia), el senyal reflectit a zones moltprofundes serà generalment dèbil i tindrà menys intensitatun cop arribi al transductor que el senyal reflectit a zonesproperes a la superfície. Per tant, és molt importantamplificar adequadament cada senyal abans d’arribar alADC. A les reflexions en zones superficials , per tant, nocal aplicar-li’s cap guany, i en canvi, a les reflexions de leszones més distants es pot arribar a aplicar un factor deguany de 100. S’acostumen a utilitzar un LNA (‘low-noiseamplifier’, altament lineal amb guany i impedànciaprogramable), i un VGA (‘variable gain amplifier’).

Com es forma la imatge? Bé, per a cada punt del mediescanejat, cal mesurar dos elements: el temps que trigal’eco a tornar al transductor des que s’ha transmès, i la sevaintensitat quan és rebut. Amb aquestes duescaracterístiques, un programa adjudica a cada píxel de laimatge una il·luminació adequada.

Millora amb bombolles d'hidrogen:L’Institut Max Planck de Sistemes Intel·ligents, encol·laboració amb la Universitat de Stuttgart van presentarel passat 2020 un modulador d’ultrasons espacials. Enaquests, es modula l’amplitud dels ultrasons aprofitant la

gran diferència d’impedància acústica entre els gasos i elslíquids, de tal forma que una microbombolla de gas potreduir de manera significant l’amplitud de les ones de so.La idea que utilitza aquest tipus de sensor es crear un patróamb microbombolles d'hidrogen i projectar una ona planad’ultrasons contra aquest (amb la mateixa amplitud a totsels punts del pla), resultant amb una nova distribució de lesamplituds i amb la deformació del front d’ona. Per mostrarla precisió del patró i el camp de pressió al pla sobre el quevolem aplicar els ultrasons, aquests es fan passar per unconjunt de partícules (polímer PDMS), que es distribueixensobre una película de plàstic.

Per a generar la distribució de les bombolles s’utilitza unchip CMOS, compost per una matriu de 100x100 electrodesd’or de mida 70x70 µm en contacte directe amb aigua i quees poden sotmetre a una diferència de tensió de 5V si el

mapping ho requereix, deforma que generen lesmicrobombollesd'hidrogen. La mida deles bombolles ésproporcional al tempsd’electròlisi, i si aquest ésmolt llarg, les bombollesd’electrodes adjacentspoden ajuntar-se.

Fig III.I. Esquema delmodulador espaciald’ultrasò [5]

Fig III.II. Array de bombolles d’hidrogen, creixen amesura que augmenta el temps d’electròlisi [5]

El principal desavantatge és el temps que es triga perrealitzar tot el procés: es triguen uns 12s per escriure elmapping de bombolles, i uns altres 15 per inicialitzar eltransductor i generar els ultrasons. Les bombolles

4

12

s’eliminen mecànicament amb una película de plàstic i elsensor queda llest per tornar a ser utilitzat.

IV. APLICACIONS I ÀREES D’ÚSTal i com s’ha vist, l’ús dels ultrasons 3-D és una forma noinvasiva d’obtenir representacions en 3 dimensions del’interior del cos humà. En els darrers anys els equips derecerca han fet grans esforços per desenvolupar el sistemaen 3D, ja que, en el 2D, que ja existia des de feia anys, elsmetges havien de representar un volum, en duesdimensions.Un exemple d’aplicació és com a substitut delfonendoscopi. Aquest aparell s’utilitza des de fa més de dossegles per a escoltar els sons interns del cos humà.Consisteix en un aparell d’ultrasons 3D de petitesdimensions, que es connecta al telèfon mòbil, i el doctor potanalitzar, en temps real, l’interior del pacient de formaràpida. Un fabricant n’és l’empresa Butterfly Network. Abanda de mostrar en pantalla els òrgans i teixits desitjats,també calcula el volum dels òrgans del pacient, i potmostrar els fluxos hemodinàmics. Aquesta eina moltprobablement deixarà el fonendoscopi obsolet en uns anys.Una altra aplicació és per estudiar el cervell. De moment sen’han fet proves en rates. El procediment emprat va ser

aplicar una sèrie d’estímuls a l’animal, com per exempleencendre un llum led, i mirar a l’interior del cervell perveure si hi havia algun canvi. El resultat era que s’activavauna part del cervell. Aquest estudi va demostrar queultrasons en 3D i en temps real es podia utilitzar perentendre la dinàmica del cervell d’un rosegador.

V. CONCLUSIÓ

Les imatges 3D obtingudes per ultrasò són un exemple mésd’aplicació de la ciència en la tecnologia. En aquestadirecció, l’article il·lustra la transició de l’aprofitamentd’un principi físic en el disseny d’un dispositiu útil. Elsultrasons són una tecnologia basada en l’emissió,propagació i recepció d’ones sonores concretes i en elprocessament de la informació generada (ecos reflectits) enaquest procés. S’ha donat una visió general delfuncionament d’aquesta tecnologia (basada en els sensorspiezoelèctrics) així com també d’alguna tècnica addicional(bombolles d’hidrogen) de millora i d’aplicació. Amb tot,es tracta d’una eina molt útil en camps com la medicinad’on, a partir d’un únic principi, s’estan desenvolupantdispositius capaços d’obtenir resultats cada vegada mésprometedors.

[1] Susannah J. Patey, James P. Corcoran. Physics ofultrasound. Anaesthesia & Intensive Care Medicine.Volume 22, Issue 1. 2021. Pages 58-63. ISSN1472-0299.https://doi.org/10.1016/j.mpaic.2020.11.012.

[2] Daquan Xu. Physics of Ultrasound. NYSORA.https://www.nysora.com/foundations-of-regional-anesthesia/equipment/physics-of-ultrasound/.

[3] Qinghua Huang, Zhaozheng Zeng. A Review onReal-Time 3D Ultrasound Imaging Technology.BioMed Research International. Vol. 2017, Article ID6027029, 20 pages, 2017.https://doi.org/10.1155/2017/6027029.

[4] Rabut, C., Correia, M., Finel, V. et al. 4D functionalultrasound imaging of whole-brain activity inrodents. Nat Methods 16, 994–997 (2019).https://doi.org/10.1038/s41592-019-0572-y

[5] Zhichao Ma, Kai Melde, Michael Schau et al. Spatialultrasound modulation by digitally controllingmicrobubble arrays.https://www.nature.com/articles/s41467-020-18347-2.pdf

[6] Maurizio di Paolo Emilio. High Performance Designfor Ultrasound Imaging. EE Times. 2019.https://www.eetimes.com/high-performance-design-for-ultrasound-imaging/#

[7] Rabut, C., Correia, M., Finel, V. et al. 4D functionalultrasound imaging of whole-brain activity in rodents.Nat Methods 16, 994–997 (2019).https://doi.org/10.1038/s41592-019-0572-y

[8] Richard Willingham. Portable ultrasound device couldsee doctors throw away their stethoscopes, surgeonsays. (2019).https://www.abc.net.au/news/2019-10-27/throw-away-your-stethoscope-ultrasounds-go-mobile/11640654

5

13

El estrés en las plantas: ¿qué es y cómo se mide?

Amanda Scoles García, Clara Villalonga Llauger, Giulia Sionis Ponte, Lara Cuevas Blanco, Marta GiliEsteva

Instrumentación. Grado en Ingeniería Física. Universidad Politécnica de Cataluña.

Campus Nord, 08034 Barcelona

e-mail: amanda.scoles@estudiantat.upc.edu, clara.villalonga@estudiantat.upc.edu,giulia.sionis@estudiantat.upc.edu, lara.cuevas@estudiantat.upc.edu, marta.gili@estudiantat.upc.edu

Con este trabajo se ha pretendido estudiar cómo reaccionan las plantas frente al estrés y,con más detalle, su capacidad de emisión de sonidos para transmitir información sobreeste estado. Esto se logra con un algoritmo de machine learning, clasificando lasgrabaciones resultantes de los sonidos que producen las plantas de tabaco y tomateras alser sometidas a un estrés de sequía y de corte del tallo.

I. INTRODUCCIÓN

El reino vegetal supone un 80% de la vida ennuestro planeta y, a pesar de eso, falta muchopor conocer sobre él. Se sabe que las plantasproducen fenómenos visuales, químicos ytáctiles que las ayudan a relacionarse con suentorno: algunas lanzan semillas y se asfixianentre ellas, otras se defienden de susdepredadores creando cantidades extra detoxinas o secretan más néctar cuando necesitanpolinizarse. De hecho, las plantas manifiestancambios significativos en su fenotipo comorespuesta al estrés. Sin embargo, ya hace añosque los botánicos sospechan que las plantastienen otra forma de comunicarse: el sonido.

Se conoce el uso de fenómenos auditivoscomo la “cavitación”; algunas plantas, con elestrés, crean, expanden y hacen explotarburbujas en su xilema, causando vibracionesen el tejido que producen sonidos. Aún así, enestudios anteriores solo se han registrado en lasuperficie de la planta.

Por otro lado, se ha demostrado recientementeque las plantas responden a los sonidos, porejemplo, cambiando la expresión de genesconcretos o aumentando la concentración de

azúcar en su néctar. Si las plantas son capacesde emitir sonidos, estos podrían rápidamentedesencadenar efectos en los organismoscercanos, ya sean plantas o animales.

En este artículo, se hablará del reciente estudiorealizado por un grupo de investigadores de laUniversidad de Tel-Aviv, que consiste enexaminar si las plantas emiten sonidosinformativos a través del aire, que podríanservir de señales para su entorno. De hecho, sedemuestra que producen fenómenos auditivosque son captables desde varios metros dedistancia y que transportan información sobreel estado fisiológico de la planta.

II. PROCEDIMIENTO DELEXPERIMENTO

Se medirá el número de sonidos que emiten lasplantas en diferentes estados, así como suintensidad y frecuencia. Se expondrá a lasplantas a dos fuentes de estrés diferentes: aestrés por sequía (4-6 días) y estrés por cortedel tallo (se estudiará la parte cortadadesconectada de las raíces).

14

Habrá tres tipos de control: la grabación de lamisma planta antes y después de recibir elestrés, la grabación de una planta vecina queno reciba el estrés y la grabación de unamaceta vacía.Para los experimentos se usarán tomateras(Solanum lycopersicum) y plantas de tabaco(Nicotiana tabacum), y dos ambientesdistintos: una caja anecoica aisladaacústicamente y un invernadero.A cada planta le son asignados dos micrófonosdireccionales orientados hacia esta y a 10 cm.El sonido solo es registrado si es captado porambos, reduciendo las detecciones falsas porel sonido del propio equipo e interferenciascon otras plantas.Para analizar los datos de la caja, se entrena unmachine learning classifier para distinguirentre los dos estados de estrés y las dosespecies de planta, así como del ruidoeléctrico. En caso del invernadero, primero seha de crear una librería de sonidos de esteestando vacío para poder entrenar unaconvolution neural network que distinga elsonido ambiente de los sonidos producidos porlas plantas.

III. ACONDICIONAMIENTO

A continuación, se plantea elacondicionamiento necesario para obtener losdatos del sonido emitido por las plantas.

En primer lugar, se necesita un micrófono(Micrófono Ultrasound CM16/CMPA deAvisoft) capaz de captar ultrasonidos parapoder registrar las señales producidas por losvegetales. Este micrófono tiene un rango defrecuencias de 2 kHz-200 kHz y unasensibilidad de 500 mV/Pa. Al no saber las

Figura 3. Circuito de acondicionamiento

presiones que recibirá el micrófono debido alas ondas sonoras, se tendrá que hacer elacondicionamiento ajustando la ganancia conun potenciómetro. Además, el estudio secentrará en frecuencias entre 20 kHz y 150kHz y, por tanto, será necesario incorporar dosfiltros al circuito (uno de paso alto y uno depaso bajo) para ajustar este rango. Ambosfiltros, así como el potenciómetro, estánintegrados en la interfaz (UltraSoundGate1216H de Avisoft) complementaria almicrófono (conectados a través de un cablecoaxial de 5 m), que a su vez incorpora unconvertidor A/D de 16 bits.

Figura 1. Micrófono Ultrasound CM16/CMPA

Figura 2. UltraSoundGate 1216H

El circuito utilizado es el siguiente:

15

IV. RESULTADOS

Los datos presentados a continuación muestranque las plantas emiten significativamente mássonidos al estar en los estados de estrés, y esposible identificar con bastante precisión lafuente del estrés mediante un algoritmo declasificación. La media del número de sonidosemitidos por las plantas bajo estrés por sequíafue de 35.4±6.1 por hora para las tomateras y11.0±1.4 para las plantas de tabaco, y la de porestrés por corte 25.2±3.2 y 15.2±2.6respectivamente (Figura 4). La media en todoslos grupos de control fue inferior a 1 por hora.

Figura 4. Media de la cantidad de sonidosemitidos por ambos tipos de plantas frentediferentes tipos de estrés. (Khait et al. 2019)

Figura 5. Precisión del algoritmo al distinguircorrectamente entre las diferentes categorías.(Khait et al. 2019)

Otro resultado importante es que la media deintensidad del pico de los sonidos superó los60 dB SPL a los 10 cm en los cuatro grupos(nivel equivalente a una conversación a ~1m).Estos sonidos podrían ser percibidos a variosmetros de distancia por algunos organismos.

Finalmente, mediante el uso de métodos deaprendizaje automático supervisado, se logradiferenciar correctamente el tipo de sonidoemitido el 70% de las veces (Figura 5). Estoindica que los sonidos emitidos son capaces detransmitir información sobre el estado de laplanta.

V. OTRO MÉTODO

Aunque la emisión de sonido de las plantascomo respuesta al estrés es un sujeto deestudio muy reciente, ya existen otros métodospara analizar este estado, como es el siguiente.

Se define la fotosíntesis como el proceso por elcual las plantas, principalmente, convierten laenergía radiante incidente en energía químicaestable. La energía solar entre los 400-700 nm(radiación fotosintéticamente activa PAR, ensus siglas en inglés) es la radiación utilizada eneste proceso.

La fotosíntesis comienza cuando la luzincidente en la planta es absorbida por lospigmentos fotosintéticos que existen en lashojas (clorofila a, b y carotenoides). Parte dela energía que absorben estos pigmentos, estransferida como energía de excitación y seemplea para la producción de compuestosquímicos esenciales para transformar el CO2

del aire en azúcares y compuestos orgánicosque alimentan las plantas.

Sin embargo, no toda la energía absorbida esutilizada para producir estos compuestos. Partede la misma se disipa como calor, y en menorgrado se re-emite como fluorescencia (definidacomo radiación emitida en el tránsito de loselectrones de un nivel excitado a un nivelmenor, sin cambio de spin). La distribución dela energía entre los tres procesos ocurre de talforma que el incremento en la eficiencia deuno de ellos, resultará en la disminución de losotros dos (Figura 6). Por ello, el estudio de lafluorescencia de la clorofila es útil para

16

distinguir diferentes efectos en la limitación dela fotosíntesis.

Figura 6. Distribución de la energía luminosaque llega a las hojas: fotoquímica, calor yfluorescencia. (Misra et al. 2012)

En la naturaleza, la emisión de fluorescenciade los sistemas fotosintéticos cambiacontinuamente, respondiendo a diversosfactores físicos y químicos de estrés ambiental(temperaturas fuera de rango, sequía, cambiosen la luminosidad, salinidad, deficienciasnutricionales, contaminación etc…). Por ello,los cambios de la emisión de la fluorescencia,pueden utilizarse para revelar las causas deestrés e identificar ciertos contaminantes.

Para la medida de la fluorescencia,tradicionalmente se han utilizado fluorímetrosque es un instrumento activo, pues trasiluminar las hojas de la planta con unalongitud de onda concreta mediante un filtro,miden la emisión de la planta en diferenteslongitudes de onda, mediante fotómetros conlos filtros correspondientes (González-Pérez,2012).

Recientemente se ha comenzado a utilizar unatécnica pasiva denominada fluorescencia solarinducida (SIF en sus siglas en inglés) (Zhanget al 2017). En esta metodología la fuente deenergía es el sol y la fluorescencia emitida porla planta en diferentes longitudes de onda semide con un espectro-radiómetro que barre elespectro de 300 a 900 nm con una resoluciónde 1 nm, utilizando para ello una fibra ópticade 25º de campo de visión (FOV en sus siglasen inglés) conectada al espectro-radiómetro,cuya terminal se sitúa a 1 cm de la hoja.

El índice de reflectancia fotoquímica (PRI ensus siglas en inglés) se calcula a partir de lasmedidas de la emisión de la planta(reflectancia) obtenidas por elespectro-radiómetro en las longitudes de 531 y570 nm, siendo PRI= (R531-R570) /(R531+R570) donde Rx es la reflectancia a xnm. Además, se calcula la razón R690/R630ya que R690 es muy sensible a la actividadfotosintética de la planta, mientras que R630no se ve afectada por esta actividad.

Estos parámetros nos permiten evaluar si laplanta en cuestión está sufriendo algún tipo deestrés o pérdida de rendimiento, posibilitandotomar medidas que lo disminuyan, antes deque tenga síntomas visibles.

VI. CONCLUSIÓN

De este trabajo podemos concluir que lasplantas son capaces de emitir sonidosdetectables a varios metros de distancia en elrango de ultrasonidos, pudiendo ser fuente deinformación para otros organismos que hayanevolucionado para clasificar y responder aéstos.

Este fenómeno podría ser útil en varioscampos, como por ejemplo en la agriculturapara un uso más eficiente de los recursos,además de ser un avance muy importante a lahora de estudiar las interacciones de lasplantas con su entorno.

17

VII. REFERENCIAS

Avisoft Bioacoustics. (n.d.-a). Components of the UltraSoundGate 1216H 7. Retrieved May 8, 2021,from http://www.avisoft.com/usgmanual_1216H.pdf

Avisoft Bioacoustics. (n.d.-b). Repacing the CM16 microphone capsule. Retrieved May 8, 2021, fromhttp://www.avisoft.com/usgmanual_CM16_CMPA.pdf

Avisoft Bioacoustics. (2019, December 9). 1216H - Avisoft Bioacoustics. Avisoft Bioacoustics.http://www.avisoft.com/ultrasoundgate/1216h/

Avisoft Bioacoustics. (2020, August 8). CM16/CMPA - Avisoft Bioacoustics. Avisoft Bioacoustics.http://www.avisoft.com/ultrasound-microphones/cm16-cmpa/

Crespo, I. (2020, January 26). Descubren que algunas plantas “chillan” en ultrasonidos. La Razón; LaRazón. https://www.larazon.es/ciencia/20200126/rchssksss5cktd36v7ra6ne5du.html

Lucas Hernández Hernández, Claudio González Pérez. (2012). Introducción al análisis instrumental.Ariel. (Original work published 2001) ISBN 8434480433

Khait, I., Lewin-Epstein, O., Sharon, R., Saban, K., Perelman, R., Boonman, A., Yovel, Y., & Hadany,L. (2019). Plants emit informative airborne sounds under stress. In BioRxiv (p. ).https://www.biorxiv.org/content/10.1101/507590v4.full.pdf

Misra, A. N., Singh, R., & Misra, M. (2014). Chlorophyll Fluorescence in Plant BiologyBioinformatics View project Plant Tissue and cell culture View project ChlorophyllFluorescence in Plant Biology. https://doi.org/10.5772/35111

Zhang, C., Preece, C., Filella, I., Farré-Armengol, G., & Peñuelas, J. (2017). Assessment of theResponse of Photosynthetic Activity of Mediterranean Evergreen Oaks to Enhanced DroughtStress and Recovery by Using PRI and R690/R630. Forests, 8(10), 386.https://doi.org/10.3390/f8100386

18

Telemetric or wearable systems to measure biopotentials in animals

Kandela Ballerini, Adria Barbecho, Oriol Gelabert, Laura Gomez, Joan SerraInstrumentacio. Grau en Inginyeria Fısica. Universitat Politecnica de Catalunya

Campus Nord, 08034 Barcelonakandela.alejandra.ballerini@estudiantat.upc.edu adria.barbecho@estudiantat.upc.edu,oriol.gelabert.cortes@estudiantat.upc.edu laura.gomez.fernandez@estudiatat.upc.edu,

joan.serra.escorne@estudiantat.upc.edu

The use of sensors in animals with scientific purposes enables general population to take careof domestic animals since it enables to test, enhance and notice when professional healthcare isrequired. This project focuses on a variety of sensors with the purpose of understanding theirbasic functions and applications. First of all, a brief explanation into a freely moving rat sensorto measure polysomnography will be explained. Furthermore, a comparison among this systemwith older ones will be done. In the second section, an introduction into the vetarinary applicationof certain sensors and its use to monitorise the biopotentials will be exposed. To end up with,the tracing of vital constants in husbandry livestock in order to determine the animal’s health willbe reviewed.

Keywords: EEG, transponder, biopotentials, sensor, mice, dog, cows, livestock, IRT, BRE, diseases.

I. INTRODUCTION

In this day and age, the relentless pace of change andtechnological improvements has led to the developmentand enhancement of telemetric and wearable sensorsto measure biopotentials in animals. These systemsare of the utmost importance since they allow scien-tists to study animals in their quests to understandbiological functions and processes, which can also givean insight into decyphering human biology as well.Measuring biopotentials is also relevant when it comesto studying the health of domestic animals and livestock,since the early detection of illnesses in this sector iscrucial to prevent certain illnesses to spread, not onlyto humans but also to the rest of the cattle. Therefore,it can be stated that being able to obtain knowledgeabout the physiological nature of many animals canmake great contributions to society.

II. SYSTEM TO MEASUREPOLYSOMNOGRAPHY BIOPOTENTIALS IN

RATS

Mice are the most used animal in RD (Research andDevelopment), meaning that they are used in a widerange of fields due to their anatomical, physiological,and genetic similarity to humans. Among otheradvantages: their ease of maintenance, small size,short life cycle and abundant genetic resources. One ofthe fields of research are biopotentials, more specifically,electroencephalogram- from now on will be referredto as EEG- a signal for sleep analysis. The currentsensors to perform this measurement are either huge orclumbersome and their presence may negatively affectthe behavior of the animal (∼4 g or ∼20% of its bodyweight).

The main objective is to quantify the non-rapid eyemovement sleep (NREMS), this phase of the sleep ischaracterized by the absence of rapid eye movementand precede the rapid eye movement sleep (REMS),when dreams take place. The magnitude used toquantify NREM is Slow wave activity (SWA): anelectrophysiological signature of slow (0.5-4.0 Hz),oscillatory neocortical activity. In healthy individuals,SWA is maximally expressed during the NREM phase,and increases in magnitude as a function of prior wakeduration. This signal is produced in the thalamo-cohoritical loops, a phenomenon of oscillatory neuralactivity between the thalamus and the cortical regionsplaced in the brain.

An excellent indicator of a proper sleep analysisis the clear processment of the EEG signals. Themain limitation of this measurement arises when theartifacts used modify the amplitude of the signalobtained. Movement artifacts not only take placeduring fully wakefulness states but also during NREMS,REMS and transitions among the sleep and wakefulnesswhen the animal deals with all the wires and heavysensors placed on its body. The main consequences area more laborious analysis of the data and a limitationon the number periods sampled which may lead to dataloss and less reliable results.

All the aforementioned reasons claim that the devel-opment of a lighter sensor has to be done. With thispurpose this section will focus on a sensor specially toovercome these issues and enable free movement to thesubject of study.

Around 2013 a novel method for measuring biopo-tentials such as electroencephalogram signals for sleepanalysis was developed. Compared with previous sensors,this relatively new system allows for a greater mobility

19

2

of the animal apart from having the capability ofconnecting different biopotential leads to the mousesimultaneously, via multi-channel EEG electrodes,for instance.

The system in question consists of a wirelesstransponder -device that, upon receiving a signal,emits a different signal in response- that receivesinformation such as EEG signals for sleep analysis,which is encapsulated in a counterbalanced lightweighttethered housing (total weight 4.5 grams). Thetransponder is connected to the EEG electrodeson the head of the mouse, and all this device isheld by a ring which slides through an L-shapedmetallic bar that rotates 360 degrees. Furthermore,the connecting leads and the transponder are counter-balanced using a length adjustable screw diminishingthe pressure on the mouse’s head. Thus, this systemallows the animal to have free-range of motion and,one of its advantages is that it can be fitted into mostanimal standard cages.

FIG. 1. Sensor for measuring EEG biopotentials

FIG. 2. Mouse using the system

When it comes to the surgery of the mice,they are implanted with an EEG electrode over the leftparietal cortex, two EMG (electromyogram) electrodes inthe nuchal muscles and a reference one in the cerebellum,connected to the transponder as aforementioned.

Before this system, other methods were used to mea-sure these biopotentials, namely tethered systems whichrestrained the animal’s movement or wireless transpon-

ders which were relatively large and heavy for the animal.This system was compared to those other sensors,and it was concluded that the results obtainedwith the novel system were similar to the onesobtained previously when it comes to accuracy,but it presented some additional advantages. Forinstance, it can be inserted into most standardmouse housing cages and easily modified to fitinto non-traditional caging, apart from the factthat it can be applied to other animals. Moreover,this system is not surgically invasive for implantation,just as the previous ones where, and it is an inex-pensive system to implement. And more importantly,since this system allows the specimen to move freely,it did not alter its behaviour nor its sleep habits,providing for more reliable sampling that could not beachieved by other methodologies.

III. SENSORS FOR CANINE HEALTHMONITORING

One of the applications of biophotonic and biopo-tential sensors is the monitoring of dogs’ vital signsin order to detect physiological responses of stressor excitement along a normal day. For doing so,it is mandatory to create a sensing system that allowsthe dog to continue with its normal activity and suchthat we can analyze remotely the data at every moment,as studied in Brugarolas et al. [1].

As the aim of the work is to monitor the vital signs’and relate them to the behaviour of the dog, a sensorthat produces the dog’s electrocardiogram (or ECG),another to measure the photoplethysmography (or PPG)and dynamic sensors, as accelerometers and gyroscopes,are needed.

In the case of the ECG the sensor consists of differentelectrodes on the skin of the subject. Undoubtedly,electrodes connected directly to the fur of the dog wouldfall due to its activity, so stainless steel pointed styleelectrodes are used, mounted on a collar that keepsthem in their place. These electrodes can detect thedifferent electrical impulses created by the heartbeat,and by analyzing these data the estate and mood of theanimal can be stated.

On the other side, the PPG detects the move-ment of the blood using infrared light. This sen-sor emits infrared light that is partially absorbedby the tissues and the blood of the dog. Sincethe blood absorbs more light than other tissues,the flow of it can be detected by changes on theintensity of light received in a photodiode. When itcomes to measuring this, the fur of the pet can leadto some problems in the measuring owing to the fact

20

3

that it can absorb or scatter a large amount of light,so a light guide made of optic fiber is implemented,such that connects directly the source and detector withthe skin.

Once the sensors are set, a controlling system hasto be implemented to send remotely the data de-tected. This control is done with a printed boardwith a microcontroller, which controls the pulses oflight of the PPG sensor, and receives the data fromthe electrodes for ECG and the photodiode of thePPG sensor. The data is previously conditioned,removing the offset in the voltage, amplifying and filter-ing the high frequency noise from the signal. Then theconditioned signals are sent to the ADC and this digi-tal signal is transferred to external devices via Bluetooth.

FIG. 3. Operation system of PPG sensor

It is worth mentioning that errors and impedancecan depend on the position of the sensors (if theyare in direct contact with skin or not) and in thefrequency of measurements, that is why gel elec-trolyte is applied between electrodes and the skin,apart from using a 500Hz frequency light emis-sion in the PPG sensor (as the noise goes as 1/f,and with a higher frequency it is reduced).

This type of system for sensors comes up as a majorimprovement since it is a non invasive method thatis able to monitor the vital signs of the dog withoutinterfering in its normal activity and it can be controlledremotely with any usual device.

IV. SENSORS USED IN HUSBANDRYLIVESTOCK MANAGEMENT

As one of the key economic motors and an essentialpart of our basic diet, some of scientific and engineeringadvances are used in industries as stock-breeding. Inorder to reduce costs as well as trying to guarantee abetter control of diseases and other aspects which couldcomplicate the breeding process, some devices includingdifferent types of sensors are used. With these devices,

a correct monitoring of the livestock is pursued anda great variety of sensors take part in fulfilling thisobjective.

To provide an optimum product, all environmentalvariables which can affect food features must be takeninto account, and these are such as health monitoring,heat stress and fertility. Disease managementis key to avoid health complications which af-fect on the final product as well as heath stresswhich can result into milk production reduction,weight loss or susceptibility to diseases. Fertilization,using artificial insemination can be more effective if it isdone in a few hours period called standing heat whereheat increase can be detected.

All these variables can be detected and afterwardsmonitored through sensors in this case placed in awearable collar. The sensor is used to sense the animal’sbody temperature using an infrared thermometer,as used in many medical applications. This infraredsensor detects the infrared energy emitted by materialsincluding living organisms as a consequence of beingabove 0 K. A basic design consists on a series of lenseswhich focus the infrared energy on a detector and isconverted into an electrical impulse and then translatedinto temperature units. Modern IR temperature sensorsinclude a selective filtering of IR signal and linearizationand amplification of the detector output which leads tomore precise results.

A possible schematic representation of the InfraredThermometer (IRT) is shown below:

FIG. 4. IRT Scheme

Using these measurements a correct monitoring andanalysis of livestock can be achieved.

In the case of cows, knowing that the aver-age temperature of a cow is around 38.5-39.5 ºC,a decrease below 38.5 ºC could indicate indigestionor milk affections. If the temperature is above 41ºCother diseases like anthrax or influenza can be pos-sibly affecting the animal. Regarding heat stress,four levels of stress can be considered between 38ºC and 41ºC, each one indicating greater stressand danger for milk production as well as for

21

4

the animals’ health. In a more complex scenario,fertility matters demand a longer monitoring to detectthe perfect artificial insemination period known asestrus. This period, which lasts around 12 and 18 hours,is indicated by a heat increase, and the perfect insem-ination time is around 16 hours after the start of thisphenomenon.

To continue with stress detection, there are multi-ple devices which perform this task depending onwhich animals are being monitored. For example,in the case of chickens, sound analysis is a reliablemeasure to indicate the level of stress of the live-stock in order to reduce its possible repercussion onthe final animal product. Recollecting sound datavia a microphone and then analyzing the level ofstress on the sound produced by hens is an effectiveway to detect fear or heat stress. This not onlycan be detected but also classified by the device,as it identifies typical structures in sound waves pro-duced by hens in each situation.

Finally in the case of the milk industry an-other method to detect stress can be performed,which is the case of looking for lactate as it is anindicator of stress in animals. It is a main prod-uct of anaerobic and aerobic glucose metabolism,stored in tissues or exported to blood, and being able todetect this lactate can lead to an early resolution of theproblem.

The detection is performed using electrode ma-terials chemically modified so it has parts wheresome biological elements can be recognized whenpresent, which are called biological recognitionelements (BRE). When the animal is analyzed,an excess of lactate can be detected by bio receptors,and then a transducer transforms the signal producedby this electrode into another with an easier treatmentwhich is subsequently converted and information can beextracted from it.

FIG. 5. Biological Recognition Elements

V. CONCLUSION

The realisation of this study has made the authorsrealise the great importance of animal monitoring. Eachsensor has presented its advantages and disadvantages,but overall, all the systems showed an important numberof benefits.

It is undeniably true that when it comes to animalexperimentation, there is also a moral component thatcannot be ignored, which is commonly understood asa drawback. Experimentation with life-beings happensto have a long term benefit not only for us, but alsofor the species and similar animals. For this reason,science still does have a long way for improvement,until minimum invasive sensors are designed.

That said, the measuring systems that havebeen created and are currently being used ac-count for great advances. These sensors are ableto prevent domestic animals’ premature death,the illnesses of livestock -which are often hard todetect due to the huge number of individuals- andthe modification of the behaviour of rats sleep dueto the sensor presence. These new sensors are moreconvenient for the animals since compared with the onesthat were used before, these are far less invasive,so for instance, in the case of mice their sleepis not as disturbed as it used to be. Moreover,in dogs the new sensors provide more comfort,the information received being as accurate as with previ-ous methods and the person monitoring it can have accessto the results any time, which makes it even more diffi-cult for some issue go unnoticed. In the case of livestock,there is some difference since aside from their health,another interest is the milk and meat production,apart from the reproduction of the species, so thesensor measures parameters like temperature andstress aside from other variables such as the bestmoment for insemination. All this is paramount,since the smallest detail could lead to the production ofa faulty product.

All this considered, it can be clearly stated that theuse of sensors for monitoring biopotentials in animalspresents a great amount of advantages that can be usedin scientific research, in business management and evenin each individuals’ benefit.

[1] R. Brugarolas, J. Dieffenderfer, K. Walker, A. Wagner,B. Sherman, D. Roberts, and A. Bozkurt, Wearable wire-less biophotonic and biopotential sensors for canine health

monitoring, IEEE SENSORS 2014 Proceedings , 2203(2014).

[2] E. Bryda, The mighty mouse: The impact of rodents on

22

5

advances in biomedical research, Missouri medicine 110,207 (2013).

[3] R. Greene and M. Frank, Slow wave activity during sleep:Functional and therapeutic implications, The Neuroscien-tist : a review journal bringing neurobiology, neurologyand psychiatry 16, 618 (2010).

[4] M. Zielinski, L. Gerashchenko, S. Karpova, andD. Gerashchenko, A novel telemetric system to measure

polysomnography biopotentials in freely moving animals,Journal of neuroscience methods 216 (2013).

[5] K. Saravanan and S. Saranya, An integrated animal hus-bandry livestock management system, Journal of Ad-vances in chemistry 13, 6259 (2017).

[6] L. Haoran, G.Jun, M. Eugene, and Y. Lei, Advanced bio-materials for biosensor and theranostics, Woodhead Pub-lishing Series in Biomaterials , 213 (2019).

23

POWERLESS AND WIRELESS SENSORS FOR THE INTERNET OF THINGS

Powerless and Wireless Sensors for the Internet of Things

Alejandro Galván, Joan Hernanz, Bernat Ramis, Lara San Martín, Aleix Seguí Instrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.

Campus Nord, 08034 Barcelona

Powerless and Wireless sensors are becoming relevant in growing industries such as the Internet of Things. In this paper, we analyze some existing implementations of Wireless and Powerless sensors and explore some new possible applications. First, we provide an overview of the fundamentals of a strain sensor and a temperature measuring system. Then, we propose the hypothetical use of Wireless and Powerless sensors in Apple's AirTag technology.

Keywords: Wireless and Powerless sensors, AirTags, Wireless Sensor Networks

I. INTRODUCTION

Nowadays, Powerless and Wireless sensors are becoming more relevant, mostly due to the growing popularity of the Internet of Things. IoT provides opportunities for innovation and economic growth. For instance, in a cold chain monitoring system, temperature data from food containers could be used to raise the alert when temperatures approach certain safety thresholds. Besides, the IoT allows a dynamic creation of control networks that can be formed or dissolved dynamically based on time and location.

All the necessary technologies for forming such networks already exist today: sensors, actuators, local or cloud-based control units and communication protocols such as IPv6. In this paper, we focus on the technology that enables the system to be independent and self-sustaining: the Powerless and Wireless sensors. Due to radio communication such as Radio-frequency identification, which consumes very little amounts of energy, wireless sensors can be powered by energy converters using motion, light or temperature differences as their energy source.

In addition, Powerless and Wireless sensors are already in use industrially where the deployment of sensor nodes is difficult due to the harsh environment of industrial plants. Sensor cables are easily damaged, which would render a sensor-based monitoring system itself unreliable.

Dasheng-lee [8] describes a reliability and maintainability system for tooling motors based on induction-powered wireless sensors. The electromagnetic induction is generated by the motor's shaft rotation, the sensor node is self-sustaining; therefore, no power line is required.

The communication module transmits a sequence of electromagnetic pulses in response to the sensor signals.

Liang-Cheng-Chang [4] followed up on using this system for measuring in difficult places, such as inside the spindle.

Using Radio-frequency identification chips to transfer data, they achieved a much smaller Signal-to-noise than using a cable-based sensor. However, the ordinary wireless transfer rate is approximately 100 to 300 Kbs, which is lower than that of a cable transfer.

To supply electricity, a permanent magnet is installed on the main spindle. When the rotor spins at a rate of 1,000 to 6,000 rpm, a stable output voltage of 3.2 V and an output power of 1 to 5 W is generated from the magnetic induction. Because the sensor in question consumes 0.12 W, the power generating module is capable of supplying sufficient voltage and power to the embedded system.

In the following sections, we describe a close examination of the physical system behind two different Wireless and Powerless sensors, and propose the application of the technology to the Airtags, a novel product by Apple for the Internet of Things.

II. INDUCTIVE POWERLESS SENSOR

The first example consists on a Wireless and Powerlessstrain sensor, which is implemented by a tank sensing circuit and a thick film of a strain sensitive material [6]. An analysis of the frequency response, sensitivity and tensile strain can be found at the results and conclusions of the paper in question.

The sensing element is an interdigital capacitor, which modifies its capacitance as a function of geometric parameters, involving the deformation of the electrodes and gaps (in thickness and length). The capacitor is powered by the induced voltage generated in a planar spiral inductor by the antenna coils, following the principle of Faraday’s law. As a result, the sensor consists of a LC resonant tank circuit. If we calculate the impedance seen by the antenna, commonly represented by Z0, we can see that it is dependent on the capacitance of the sensor. That means that as it

24

POWERLESS AND WIRELESS SENSORS FOR THE INTERNET OF THINGS

changes, the impedance seen from the antenna also does, following the formula:

𝑍! =1

𝑗𝜔𝐶"+ 𝑗𝜔𝐿" + 𝑅" +

𝜔#𝑘#𝐿"𝐿$𝑗𝜔𝐿$ + 𝑅$ +

1𝑗𝜔𝐶$

Here w is the angular frequency of the current generated by the transmitter, CR, LR and RR are parameters which describe the reader coil of the antenna, k is the coupling factor and LS, CS and RS are the inductance of the planar spiral inductor, the capacitance of the capacitor and the self resistance of the sensor. The circuit in question is represented in Figure 1.

FIG 1. Circuit diagram of the reader antenna and the sensor.

This change in the impedance as a result of a strain in the sensor, is transmitted to the reader coil of the antenna, thus completing the transmission of the data. The final output of the sensor is measured by the voltage V0.

This method of implementing powerless sensors has a main disadvantage, which involves the constraints on the distance between the sensor and the antenna as a result of the principles of inductive coupling. It is well known that the further apart we move away the coils, the greater the decrease in the induced voltage, with a quadratic decay on the distance. For this sensor to work, we need to be effectively close to the antenna, which makes the application of the sensor not suited for everyday tasks which require movement. However, in a permanent set-up which does not involve the separation of the sensor close from the antenna, it may be implemented successfully.

III. TEMPERATURE GRADIENT-BASEDPOWERLESS SENSOR

Another example of a wireless and powerless sensor is given in [5]. In this case, the device described is a temperature measurement system using SAW (surface acoustic waves). Its functioning is based on the fact that temperature changes produce variations in the resonant frequency of the SAW sensor.

The principle of operation of the system consists of three components. The first one is the SAW sensor itself, which

works as follows: when its IDT electrode (placed on a piezoelectric substrate) receives an AC signal as input, it generates a surface acoustic signal. This SAW travels until it reaches the reflective gratings, where it bounces back. Finally, it is emitted outside through the antenna. Temperature changes can generate deformations in the reflector and the IDT, causing the frequency response of the sensor to shift.

The second component is the PLL (phase locked loop), which is used to preserve a certain relation between the input and output phases. This directly leads to a relation between the input and output frequencies too.

The third one is a power detector used mainly to measure and control the transmitter output power, in order to fulfil official requirements and ensure reliable communications.

FIG 2. General operation of a SAW device.

In FIG 3, we can see a diagram of the complete temperature measurement system. This system is expected to be able to operate from a distance of about 3m, with an estimated error of +/-2ºC. One of the main advantages it would present is the high performance, small size and low price of SAW sensors, as well as the possibility of taking measurements in extreme environments where humans cannot enter. Also, other magnitudes could be analyzed, as long as they are related to the resonance frequency of the SAW device.

FIG 3. The reflected wave is generated only when the frequency of input is close to the resonance frequency. Therefore, after processing the signal, the RF reader can extract said frequency and, from there, we can infer the temperature.

25

POWERLESS AND WIRELESS SENSORS FOR THE INTERNET OF THINGS

IV. THE AIRTAG DEVICES

A perfect example for recently developed Wireless and Powerless technologies are Apple’s AirTags [1] the launch of which was announced in April 2021. From the commercial point of view, an AirTag consists of a tiny device that can be attached to any personal object that may be lost by the user. Should the tragedy occur, by using an iPhone one can easily locate and get the item back.

FIG 4: AirTag attached to keys and connected with a phone. [1]

From the technical viewpoint, an AirTag is a radio wave sensor and emisor that interacts with a mobile phone. An analysis of their wireless and powerless technologies follows.

AirTags work at short distances. Even though it has not been specified yet, they are expected to be able to communicate with devices in a range of 100m, which is the maximum distance for Bluetooth connection. At this point, the question is, what if one loses a personal item in a public area, or what if the belonging is stolen? Then the owner’s smartphone will not be able to track the object to which the AirTag is attached. However, any other Apple user could detect the AirTag, get the owner’s information and eventually notify the owner.

AirTags are provided with a chip called “U1 chip”, an Apple creation that is useful for Ultra Wideband [2] radio communication. The latter is a system used mainly for mapping and location. It presents several advantages to other systems with similar purposes:

1. As its name indicates, Ultra Wideband systemswork along a large range of frequencies. This comesin handy when the presence of certain objects mayobstruct the propagation of some frequencies. Sinceradio waves of different frequencies are used, in theevent some were blocked, then the others could stillcarry on and deliver the information anyway.

Nevertheless, some disadvantages need to be taken into account:

2. As one may intuit, emitting waves of a variety offrequencies requires more power. The solution tothe problem simply consists of emitting pulses ofthe radio waves instead of continuouslybroadcasting. This way, energy is saved. Moreover,the short length in time of the pulse prevents otherundesired interactions: in the case other devicesworked in radio frequencies nearby, they would notdetect U1 chip activity or, in the worst case, theywould sense it and interpret it as background noise.

3. Ultra-Wideband technologies are complex tocreate. In fact, they were first used for secretmilitary purposes. Nowadays, it seems to beprogressively becoming reachable for other sectors.

The way to generate and detect radio waves is by using antennas. In a simplified way, an emission antenna would generate a difference of potential or electrical charge between two points of a conducting material, which would lead to an electrical current and thus to the emission of electromagnetic waves. Such principle turns antennas into the key for wireless sensors.

Antennas are not the only sensors AirTags carry. They are also equipped with an accelerometer, which is a sensor capable of detecting motion (more accurately, acceleration). In a nutshell, the principle of an accelerometer is a mass attached to a spring that changes elongation if the mass undergoes an acceleration.

With regards to power feed, AirTags are provided with a long battery life, so they do not depend on a fixed and direct connection to a power grid, which is essential for the purpose of the AirTags.

V. WIRELESS SENSOR NETWORKS

The main problem with all these Wireless and Powerless sensors is their range. Most of the sensors we have presented have a range smaller than 100 meters. This implies that a sensor, as of its own, just works at a local scale. The answer to the scalability problem is Wireless Sensor Networks (WSN). They are defined as self-configured infrastructureless wireless networks [9].

But how do these networks work? They consist basically of sensor nodes which monitor certain physical or environmental conditions, or just indicate their position. The sensor nodes communicate between them, according to certain protocols, in order to transfer the information onto a sink or main location. This is where interaction with the user, or the application instead, happens. So the sensor nodes perform two purposes at the same time: it both measures the

26

POWERLESS AND WIRELESS SENSORS FOR THE INTERNET OF THINGS

physical magnitude and transfers information through the network.

There are two main issues when looking to have a WSN that is efficient. Energy can be saved either by the energy the sensor nodes spend while at work, or by improving the computational cost. This is, the smaller number of sensor nodes that need to be activated in order to get the information to the sink, the less energy is spent by the whole system and more efficient everything is. The right protocols and the better algorithms are crucial to convert a WSN to also be powerless [7].

Looking into the architecture of the network [3], we see that it has multiple layers, being the basic one the physical layer, consisting of the transceiver itself. The following are the Data Link Layer, which is responsible for multiplexing data streams and error control, and the Network Layer. This one is the most important layer, as it must route all the data. This can be challenging depending on the application, as sensors do not have an ID (similar to IP in computers). Next layer is Transport Layer, its function being avoiding congestion and endow reliability to the network, both in upstream and downstream. Last but not least is Application Layer.

To sum up, Wireless Sensor Networks are the way to exploit the properties of powerless wireless sensors. We can have mixed networks where not all sensors do measure, but some just pass the information onto the sink. This would allow to have nodes in everyday use gadgets such as phones or televisions which would multiply the possibilities of WSN. Energy spending is of the utmost importance for these networks. Applications are growing exponentially for these networks.

VI. CONCLUSIONS

In this study, we explained the relevance of the Powerless and Wireless Sensors. We overviewed two different sensors and discussed the application of the technology to Wireless Sensor Networks and the product case of Apple’s Airtag. We came to the following conclusions.

● Powerless and Wireless sensors provide a very usefulframework for the implementation of the Internet ofThings.

● Radio-frequency identification technology consumesvery little energy, allowing for the sustainability ofsensors with small environmental energy harvesting.

● Electromagnetic energy transmitted through magneticinduction is a common solution to the problem of theenergy source of sensors. However, it has the drawbackof the quadratic decay with the distance to the magneticsource.

● Temperature gradients are a different approach whichactivates the wireless communication at the same timethat the sensor makes a reading.

● AirTags are a worldwide extended example of aWireless Sensor Network and can make use of thepowerless technology to render them self-sustainable.

Future works could envision the possibility of designing a specific powerless energy source for the AirTag based on the technologies we described. We believe that environmental electromagnetic radiation could be a feasible energy source for such a network.

REFERENCES

[1] https://www.apple.com/newsroom/2021/04/apple-introduces-airtag/ , retrieved on 3/6/21.

[2] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ultra-wideband-communications, retrieved on 3/6/21

[3] Alkhatib, A. A. A., & Baicher, G. S. (2012, April).Wireless sensor network architecture. In Internationalconference on computer networks and communicationsystems (ICNCS 2012) (Vol. 35, pp. 11-15).

[4] Chang, L. C., & Lee, D. S. (2012). The development ofa monitoring system using a wireless and powerlesssensing node deployed inside a spindle. Sensors, 12(1),24-41.

[5] Hong, S. Y., Kim, H. S., Jeong, J. K., & Kim, K. B.(2015, June). Wireless temperature measurementsystem with RF transceiver and powerless sensor.In 2015 9th International Conference on Power

Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia) (pp. 2602-2607). IEEE.

[6] Jia, Y., & Sun, K. (2006, April). Thick film wirelessand powerless strain sensor. In Smart Structures andMaterials 2006: Sensors and Smart StructuresTechnologies for Civil, Mechanical, and AerospaceSystems (Vol. 6174, p. 61740Z).

[7] Jiang, C., Zhang, H., Ren, Y., Han, Z., Chen, K. C., &Hanzo, L. (2016). Machine learning paradigms fornext-generation wireless networks. IEEE WirelessCommunications, 24(2), 98-105.

[8] Lee, D. (2008). Wireless and powerless sensing nodesystem developed for monitoringmotors. Sensors, 8(8), 5005-5022

[9] Matin, M. A., & Islam, M. M. (2012). Overview ofwireless sensor network. Wireless sensor networks-technology and protocols, 1-3

27

REMS

Rover Environmental Monitoring Station

Pau Boira Pujol, Mercedes Oriol Rocabert, Iker Pereira Lladó, Albert Puiggròs Figueres, Sergio Torres Benito

Instrumentació. Grau en Enginyeria Física. Universitat Politècnica de Catalunya.

Campus Nord, 08034 Barcelona

REMS is a weather station that measures wind speed and direction, pressure, relative humidity, air temperature, ground

temperature, and ultraviolet radiation. All the sensors are clustered around three main components: the Remote Sensing Mast

(RSM) of the rover, the Ultraviolet Sensor (UVS) assembly on the rover top floor, and the Instrument Control Unit (ICU) within

the rover body are all connected by two booms.

Keywords: Sensor, Space, Boom, Resolution, Accuracy, Range, Temperature, Mars, Control

I. INTRODUCTION

During the last decades space exploration has always been

a requirement to develop. The idea of the colonization of

Mars is ambitious but it is not that far away. The first step is

done, the robots on its surface are fundamental to study and

analyse the red planet. The rover Curiosity, which has been

exploring the Gala crater of Mars since 2012, has a small

weather station called REMS, a scientific instrument

developed by Spanish researchers and engineers.

REMS has a lot of importance because it measures and

provides daily and seasonal reports on the atmospheric

conditions of the planet. Two small booms extend from the

rover mast, one for the infrared radiation of the ground, and

another for the atmospheric atmospheric humidity. All the

sensors of the REMS have a special interest to describe and

analyze.

FIG. 1. Rover Environmental Monitoring Station

FIG. 2. Rover Environmental Monitoring Station

II. PRESSURE SENSOR

The pressure sensor measures atmospheric pressure in

the range of 0-1400 Pa with a start-of-life precision of

around 3 Pa. Its relative precision (repeatability on the time

scale of hours) is less than 2 Pa and max resolution 0.2 Pa.¹

The main objective of this sensor is to control and

measure the pressure on Mars, thus being able to monitor

the results and obtain statistics as accurate as possible, in

order to be able to draw conclusions and models that allow

knowing the evolution of the climate and atmospheric

conditions of Mars.

The measurement is based on plates of capacitors

(electrodes) moved by pressure, thus changing the

capacitance of the sensor head. This change in capacitance

is associated with a potential difference, which allows

obtaining a voltage output that indicates the value of the

28

REMS

associated pressure. The pressure sensor has two separate

transducers that can be used in turn, increasing the reliability

of the sensor.

The sensor is located inside the through a ventilation tube

that ends in a “chimney”. To avoid contamination of the

environment of Mars, and on the other hand to avoid the

deposition of dust inside the sensor, the opening of the

"chimney" is protected with a membrane filter.

The general characteristics of the pressure sensor are given

in the following table.¹

Dimensions (60 x 52 x 17)mm

Mass 35 g

Power consumption 15 mW

Data rate 216 bits / s, 1.5 Mbits / sol

Operating temperature 228 - 328 K

III. AIR TEMPERATURE SENSOR

The REMS Air Temperature Sensor (ATS) consists of

several Minisens RTD thermistors type PT1000 Class

A bonded at the free end of a 35mm long rod (long enough

to be outside the mast and boom thermal boundary layers.)

The rod has been manufactured with FR4, a low

thermal conductivity material, in order to minimize the

measurement contamination due the heat flux from the

boom itself.

Each of the thermistors is 1.2 by 1.6mm in size³ and

they are located at the tip of the rod and at an

intermediate position. In addition, another thermistor is

mounted on the boom to measure the fin base

temperature. Measurements of these three thermistors

are used by the REMS algorithm to deduce the absolute

air temperature taking into account heat convection and

conduction.

Having these three temperatures (tip, intermediate and

base), one can estimate simultaneously the temperature

and the fluid temperature univocaly with independence

of the thermal contamination from the boom.

Also, having two Air Temperature Sensors enables REMS

to look at the difference in between the individual booms to

deduce any properties that could cause any errors.

It’s measurement range is 150-300K.² and provides

temperature readings at an accuracy of 5K and a resolution of

0.1K. This high data resolution is required for measuring

subtle temperature changes across dynamical features such

as fronts, convective cells and dust devils

IV. WIND SENSOR

The horizontal and vertical wind speeds, as well as the

wind direction, are measured by the two REMS wind

sensor systems, each installed on its own boom. These

booms are designed to sustain these wind sensors in order

to decrease weight and reduce aerodynamic impact. The

REMS booms are mounted on the rover cam-mast at a 120-

degree angle and at slightly different heights: 50mm gap.¹

Because of the various positions of the booms, wind can

be measured from both angles, ensuring that the mast

perturbation impacts just one sensor device at a time.

Table of Wind Sensor Measuring Characteristics:²

Horizontal wind speed

o Range: 0-70 m/s

o Resolution: 0.5 m/s

Horizontal wind direction

o Range: 0-360º

o Resolution: 30º

Vertical wind speed

o Range: 0-10 m/s

o Resolution: 0.5 m/s

Each wind sensor unit consists of three transducer boards

with four hot dice, based on hot film anemometry, to

provide a quality output. The speed is proportional to the

amount of power injected to keep the temperature of the

film constant.

An electro-thermal sigma-delta control loop supplies

power to the hot die keeps these dice, which are assembled

in a square arrangement, using the temperature difference

with respect to a cold or reference die.

Like every device, this sensor has been calibrated doing

many tests in wind tunnel facilities,

V. GROUND TEMPERATURE

SENSOR

Once we know the first characteristics of the Mars

atmosphere we have to focus on the properties of the

ground. Obviously, one important aspect to take into

account is the ground temperature. The sensor called GTS

29

REMS

is the one that has the purpose to measure that temperature.

In fact, the GTS measures the Martian surface kinematic

temperature by using the IR energy radiated by the ground.

One might think that the ground temperature is close to the

air temperature, but the truth is that there can be gradients of

±40K between the air and the ground.

The GTS is placed in one of the REMS booms positioned

in the NASA/MSL Rover mast at 1.6m height. To avoid local

temperature effects, the GTS focuses on a large ellipsoidal

ground surface area of around 100m2, measuring its average

temperature. The field of view (FOV) and its orientation was

selected to avoid Rover direct vision, but the area is not far

enough from the Rover to rule out its influence, specially the

thermal contamination of the Radio Thermal Generator

(RTG) .¹

Dimensions: 40’ 28’ 19’ mm

Mass: 20g

Temperature Range: 150 - 300 ºK

Ground Temperature: TC ± 40 ºK

Resolution: 0,1 ºK

Accuracy: ± 5 ºK

As we have said, in GTS the thermal detectors are

thermopiles because its characteristics allows to work in any

operational temperature and they are lightweight. Moreover,

thermopiles are sensitive to all the IR spectra, in comparison

to other detectors they are cheaper and require simple readout

electronics. To sum up, thermopiles don’t need any sort of

temperature control system, because they are less sensitive

than other systems to the emergence of thermal gradients.

However, thermopiles are not standard parts for space

applications and at present no formally space-qualified

thermopile sensors exist.

The GTS uses three different thermopiles on three different

infrared wavelength channels, A, B and C. The first two

bands are optimized for the upper and lower Martian ground

temperature ranges. Following Wien’s law, the maximum

blackbody spectral radiance for a given temperature is given

by µmax[µm]=2898/T[ºK]. If the maximal and minimal

Martian temperatures are 300ºK and 150ºK, then the sensor

is designed to work optimally in the range from 9.9µm to

19.3µm.²

The third band is centered on the CO2 absorption band.

This allows any residual influence that the atmosphere may

have on the other two thermopile bands to be determined.

VI. RELATIVE HUMIDITY SENSOR

The Relative Humidity Sensor (RHS) measures the

relative humidity of the environment surrounding the

sensor with 0-100% RH range in temperature range of

203K-323K. The device is located on one of the REMS

booms positioned on the MSL Rover mast.

The RHS consists on an active polymer film that changes

its capacitance as a function of the relative humidity.

However, the capacitance of the film also depends on

temperature. Consequently, we need to perform very

accurate temperature measurements with the Thermocap in

order to obtain a proper humidity values. The sensor is

controlled by the REMS Instrument Control Unit. All its

components are placed on a single multi-layer PCB

protected by a metallic Faraday Cage.

Moreover, the dimension of the RHS are 40x40x25 mm

and weights 15g. As far as precision of the RHS is

concerned, the sensor has a better accuracy than 10%RH

depending on the working temperature and resolution of

1%. Other interesting features are its data rate 208 bits/s

and power consumption 15mW. ¹

VII. ULTRAVIOLET SENSOR

The Ultraviolet Sensor (UVS) measures incoming UV

photons of the Martian surface. The Martial atmospheric

red dust is blown into the sky by sustained wind and

convective updrafts, then phenomena such as dust devils,

dusty plumes and dust storms can load dust at planetary

scales. The study of the magnitude and spectral

dependence of the UV opacity by means of the UVS will

be of great help for the understanding of dust loadings and

setting process among other dust-related phenomena.

The UVS consists on the use six Silicon Carbide (SiC)¹

UV photodiodes of different spectral support. Due to the

fact that the selected photodiodes have different spectral

ranges each one provides a precise evaluation of the

incident radiation within its range of responsivity (range in

30

REMS

nm). There are five types of SiC filtered photodiodes named

A,B,C,D and E and one global SiC photodiode named ABC.

Each individual photodiode provides information that can be

directly compared with their equivalent measurements on

Earth or on the top of the Martian atmosphere. It is not

necessary to indicate the individual function of each one of

the photodiodes; the key of the UVS is the combination of all

six photodiodes and its measurements. This will provide a

way better estimate of the incident irradiance and also a

smooth approximation to the spectral shape of the down-

welling flux.

VIII. CONCLUSION

To sum up, we have seen that to study a planet like Mars we

need to have optimized sensors focused on the main

characteristics of the planet. Even if the composition and

creation of those sensors is complex, the theorical bases

where they are supported are pretty simple.

One could think that the sensors required to make

measurements outside the Earth may be more sophisticates

and expensive, but the truth is that we use the same types

of sensors to take the body temperature with a thermometer

that to study the temperature of Mars.

Obviously if we want a better accuracy in spatial

measurements we need to improve the sensors.

That leads us to think that technology has advanced over

the years in an amazing way, thus being able to do things

that previously seemed impossible to us, and that we only

saw in movies or in science fiction facts.

Thanks to these sensors, what seemed surreal to us is

becoming reality, we can study the climatic and

meteorological conditions of other planets, allowing us the

possibility of developing habitability techniques that allow

us to colonize other planets in the not too distant future.

Sensors through new technologies are developing

exponentially, and as we have seen in this project despite

seeming somewhat irrelevant, they are the basis of very

sophisticated technological machines.

REFERENCIAS

1. Rover Environmental Monitoring Station Mars Science

Laboratory (NASA). Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)

from http://cab.inta-csic.es/rems/en/

2. REMS for Scientists | REMS – NASA’s Mars

Exploration Program. (2013) from

https://mars.nasa.gov/msl/spacecraft/instruments/rems/for-

scientists/

3. Torres, Martin., & Zorzano, Maripaz. (2013). Detection

of forced convection regimes using the air temperature

sensor of REMS. Vienna, Austria.

31

SISTEMAS DE MONITORIZACION DE ESPECIES Y AMBIENTESMARINOS

Pablo De Ramon, Sara Iniesta, Adrian Sanchez, Bertran Soria y Ainhoa ZubiaurInstrumentacio. Grau en Enginyeria Fısica. Universitat Politecnica de Catalunya

(Dated: Mayo 2021)

Abstract − En este artıculo se expondran diferentes tecnicas y metodos de monitorizacion deespecies acuaticas y se mostraran sistemas utilizados actualmente para el estudio de ambientes yecosistemas marinos.

I. INTRODUCCION

La fauna marina ha sido el medio de vida para lacivilizacion y el desarrollo durante milenios. Ha sum-inistrado alimentos y materiales para la artesanıa yla construccion. Las especies marinas proporcionanservicios ecosistemicos indispensables. El planctonenriquece la atmosfera con oxıgeno, y el sustento ylos medios de vida de mas de 3000 millones de per-sonas dependen de la biodiversidad marina y costera[11]. Estas son varias razones por las que es impor-tante estudiar, mantener y proteger los ecosistemasmarinos.

La vida de los oceanos esta sometida actualmentea varias guerras o problematicas, entre otras cosas,el cambio climatico, la contaminacion, la perdida dehabitats costeros y la sobreexplotacion de las especiesmarinas. Alrededor de un tercio de las poblacionesde peces comerciales estan sobreexplotadas y muchasotras especies, desde los albatros hasta las tortugas,estan amenazadas por el uso insostenible de los re-cursos marinos.

Es por eso que la responsabilidad de salvar a lafauna marina recae sobre todos, ya que todos esta-mos conectados por la globalizacion y nos benefici-amos de esta fuente de recursos naturales que es elmundo marino.

En aras de monitorizar el oceano y la fauna quehabita en el, se emplean sistemas opticos, de radiofre-cuencia y acusticos mediante metodos de monitor-izacion remota y metodos a traves del contacto. Sinembargo, incluso con la gran diversidad de tecnicasde medida, el ecosistema marino es complicado de es-tudiar pues hay factores que lo dificultan como la in-homogeneidad del medio y su dinamica, entre otros.Esto es, el diseno y la implementacion de sensoresimplica resolver nuevos retos para la ingenierıa yaque se trata de un medio completamente diferente alde la superficie terrestre.

II. SISTEMAS Y METODOS DEMONITORIZACION DE ESPECIES

ACUATICAS

A. Monitorizacion sin contacto

Hoy en dıa hay dos tecnicas importantes para lamonitorizacion sin contacto de las especies: la fil-macion de estas con camaras acuaticas y la deteccionremota.

Hasta ahora las camaras han sido utilizadas, porejemplo, para censar especies acuaticas y obtenerdatos aproximados del numero de individuos de unacierta especie. Tambien se utilizan para estudiar ladiversidad de zonas marinas, monitorizar los cam-bios en la abundancia de individuos y las posiblesmigraciones que puedan suceder, o para analizar laestructura de asociaciones de peces, es decir, comose agrupan entre ellos. Otro uso que se le ha dadoa las camaras es el empleado por las pesquerıas, lascuales las usan para evaluar la biomasa de una ciertazona estimando la talla de ciertas especies.

Aunque en esta seccion se trata la monitorizacionsin contacto, existen ejemplos de camaras acuaticaslas cuales estan en contacto con las especies estu-diadas. Uno de estos casos es la Crittercam deNational Geographic. Este dispositivo, ademas degrabar imagenes y sonidos, recopila datos del en-torno, como pueden ser la profundidad, la temper-atura y la aceleracion. Se trata de un sistema com-pacto que permite a los cientıficos estudiar el com-portamiento animal sin la interferencia que suponela presencia de un observador humano.

Figure 1: (A) Crittercam atada a un pinguino emperadormediante correas alrededor del pecho y hombros. (B)Salida de un pinguino emperador de un pozo de buceo[7].

Otro sistema de monitorizacion sin contacto es ladeteccion remota, de la cual destacan tres tecnicas oinstrumentos: la ecosonda o el sonar, la tecnologıaLIDAR y los hidrofonos.

El sonar se utiliza hoy en dıa, entre otras cosas,para el calculo de la biomasa submarina y el estu-dio de su comportamiento. Ha contribuido a muchosestudios con objetivos como la caracterizacion delsuelo marino, la medida de la velocidad del agua, yel estudio de la arqueologıa subacuatica.

El segundo instrumento es el hidrofono. Susaplicaciones principales en el campo del estudiomarino son las estimaciones de ciertas poblaciones decetaceos y los estudios de comportamiento. Se usan

32

2

Figure 2: Representacion esquematica de un sistema desonar montado en el casco de un barco [4].

para medir de la velocidad del agua, estudiar senalesde ecolocalizacion y, ademas sirven para estudiar me-didas para evitar colisiones entre los mamıferos mari-nos y los buques, y su exposicion a sonidos fuertesproducidos por la accion humana, como la sısmicaactiva, la explotacion de petroleo y gas, etc.

Figure 3: Hidrofono icListen SC2-X2, producido porOcean Sonics.

La descripcion detallada de ambas tecnicas (sonare hidrofono) se realiza en el apartado 5 ”Monitor-izacion de especies mediante dispositivos acusticos”.

B. Monitorizacion con contacto

En este grupo tenemos varios metodos y tec-nologıas como los sistemas de marcaje, los reg-istradores, transmisores de radiofrecuencia, trans-misores con GPS y comunicaciones por satelite, sis-temas de telemetrıa, transponders RFID y disposi-tivos acusticos.

Dentro de los sistemas de marcaje (carentes deelectronica) se encuentran los alambres de codigos

(Coded Wire Tags). Estos constan de etiquetas deacero inoxidable magnetizadas, con un numero ocodigo identificativo impreso. Otro sistema es el usode implantes visibles (Visible Implant Tags). Sonbasicamente elastomeros de colores que, implantadosdebajo del tejido transparente o translucido de los in-dividuos, permiten de forma visual su identificacion,bien sea por su color o por su codigo identificativo.

Los registradores o dataloggers son dispositivosque se adhieren o se implantan a los animales, y reco-

Figure 4: Marcaje de tortugas marinas [3].

gen datos de su entorno, como la temperatura o laprofundidad, para luego recuperarlos y analizarlos.

Tambien son usados transmisores de radiofrecuen-cia. Esta tecnologıa requiere dos dispositivos: eltransmisor portado por la especie, y el receptor (in-stalado en las proximidades) que permite localizarlo.Debido a la gran atenuacion de las senales electro-magneticas en el medio marino, esta tecnologıa solose aplica para especies que emergen a la superficie oque habitan en aguas de poca conductividad.

Otro tipo de transmisores son los de GPS y comu-nicaciones por satelite. Los transmisores son adheri-dos a los individuos y el sistema de localizacion GPSpermite seguir la trayectoria de especies marinas querecorren grandes distancias, evitando la instalacionde receptores por el oceano. Ademas, esta tecnologıasolo es apta para especies de tamanos medianos ygrandes, como delfines, tortugas y ballenas.

Figure 5: Geolocalizacion de tiburones en la costa estede Estados Unidos. Fuente: OCEARCH Global Tracker.

Finalmente, los dispositivos acusticos permiten es-tudiar el tiempo de residencia o la migracion de lasespecies de unas zonas a otras. Esta tecnologıa re-quiere dos dispositivos: el transmisor portado por laespecie y el receptor (instalado en las proximidades)que permite localizarlo.

III. MONITORIZACION DE ESPECIESMEDIANTE DISPOSITIVOS OPTICOS

Los dispositivos opticos usan luz perteneciente alespectro visible y algunas franjas del infrarrojo paraestudiar las especies marinas y su entorno [2]. Laprincipal dificultad que presentan estos metodos es

33

3

la absorcion de la luz por parte del medio. La ab-sorcion selectiva de determinadas longitudes de ondapor parte de las partıculas resulta en un coeficientede absorcion variable. Entonces, las longitudes deonda que mas penetran son las cercanas al azul ylas que menos las rojas o infrarrojas, como indica lafigura 6.

Figure 6: Absorcion de la luz para diferentes longi-tudes de onda [1].

Ademas la presencia de partıculas en suspensionque reducen aun mas la visibilidad, esta altamenterelacionada con el grado de actividad biologica.Este es un problema relevante, pues normalmente sequerran estudiar las zonas mas activas. El resultadoes que la luz del sol penetra hasta unos 200 metrosen el agua [10].

Por estos motivos, las tecnicas opticas tienen masusos al medir parametros del medio. Tambien sepueden usar al trabajar con animales marinos peroentonces quedan mayoritariamente reservadas a en-tornos controlados, ya sea en un laboratorio, unacuario, o bien en bosques submarinos y arrecifesde baja profundidad [9]. En general, allı donde lacolocacion estrategica de camaras o sensores de in-frarrojos permita el estudio completo del entorno.

De todas formas, tambien es muy interesante eluso de camaras colocadas en el torso de especiespelagicas[i] con la ya mencionada Crittercam. Estatecnologıa aunque muy interesante, esta restringidaunicamente a animales de un cierto tamano cuyosmovimientos no se vean imposibilitados por el dis-positivo.

Sin embargo, el uso de camaras para la identifi-cacion de especies esta fuertemente condicionada aun estudio a posteriori de los datos recogidos. Unmodo de hacer este estudio es mediante algoritmosde deteccion o usando deep learning [13], una ramade la inteligencia artificial centrada en la vision arti-ficial.

Existen multitud de tecnicas opticas que no sepueden cubrir en este breve artıculo, por eso re-comendamos al lector el texto Optical tools for ocean

[i] Las especies pelagicas son aquellas que viven en el pielago,la zona del oceano que no se encuentra sobre la plataformacontinental, es decir, en mar abierto.

monitoring and research [2], donde se exponen conmas detalle muchas de estas metodologıas.

IV. MONITORIZACION DE ESPECIESMEDIANTE DISPOSITIVOS DE

RADIOFRECUENCIA

La tecnologıa RFID (Radio Frequency IDentifica-tion) es utilizada mayoritariamente para monitorizarespecies que habitan cerca de la superficie marina oen habitats de agua dulce. Esto es debido a la granabsorcion de ondas electromagneticas por parte delmedio marino, que dificulta considerablemente el es-tudio de especies a mas profundidad. Este problemapuede ser mejorado utilizando mayores longitudes deonda, siendo necesario en este caso el uso de antenasmas grandes.

Sin embargo, si se desea monitorizar especies demenor tamano esta solucion no es valida, ya que estosanimales no pueden portar dispositivos de grandesdimensiones. Esto condiciona la autonomıa y la vidautil de estos dispositivos, que deben ser de un tamanomuy reducido.

Es posible alargar la vida util de estos artefac-tos reduciendo la cadencia con la que se emitenlas senales, reduciendo ası su consumo energeticoy alargando, consecuentemente, la duracion de susbaterıas. El problema con esto es que, si se deseamonitorizar especies que se mueven a grandes ve-locidades y/o migran largas distancias, la cadenciade senales podrıa no ser lo suficientemente elevadacomo para realizar correctamente el seguimiento.

Existe otro tipo de tecnologıa RFID que tiene unavida util practicamente ilimitada. Los llamados PITtags (Passive Integrated Transponder), son disposi-tivos de caracter pasivo que trabajan con frecuen-cias de 120-134,2 kHz. Estos dispositivos reciben suenergıa por induccion, gracias a campos magneticosgenerados por los propios lectores de senal (de aquı elmencionado caracter pasivo), permitiendo que fun-cionen de forma prolongada sin necesidad de mini-mizar su gasto energetico. Cada uno de estos trans-misores emite un codigo unico UID (Unique Identi-fication Number) diferente para cada individuo, quepermite identificar facilmente a cada uno de los es-pecımenes y monitorizar su actividad.

Figure 7: Transmisores PIT [8]

Es debido a su interesante sistema de alimentaciony al cada vez mas reducido coste de este tipo de tec-nologıa RFID pasiva que, pese a sus limitaciones dealcance, estos metodos son muy utilizados hoy en dıa.

34

4

V. MONITORIZACION DE ESPECIESMEDIANTE DISPOSITIVOS ACUSTICOS

Un tercer recurso para realizar estudios biologicoses la tecnologıa acustica. Ese metodo permite lamonitorizacion de especies en mar abierto y espaciosamplios a baja profundidad.

Esta tecnologıa presenta ciertas ventajas frente alas previamente explicadas gracias a las propiedadesde las senales acusticas, como la baja atenuacionen comparacion con las senales electromagneticas.Como consecuencia de este nivel bajo de atenuacion,las senales penetran hasta grandes profundidadesmarinas con objeto de facilitar la localizacion y elseguimiento de especies marinas. Esta atenuacion esdel orden de dB por kilometro.

Sin embargo, las senales sonoras y ultrasono-ras tienen una velocidad de propagacion mas lentaque las electromagneticas (1400-1600m/s) y exper-imentan una variacion que se debe a cambios enlas propiedades del agua, como la temperatura, lapresion y la salinidad. Ademas, hay otros factoresque afectan a la propagacion y recepcion correctade estas tecnologıas, como el multicamino, el efectoDoppler, la reflexion de la senal, el ruido ambientaly la variacion del canal, entre otros. Estos se puedendeber a las variaciones que presenta el medio marinoya que la densidad y las ya antes mencionadas tem-peratura, presion y salinidad, entre otros, no son ho-mogeneas en la practica. En el caso del multicamino,la causa es la reflexion y refraccion de las ondas (verfigura 8) y, en el caso del efecto Doppler, es el propiomovimiento relativo del objeto de estudio respecto alobservador (el receptor, la antena) (ver figura 9).

Figure 8: Multicamino

Figure 9: Efecto Doppler

Existen tanto dispositivos acusticos de monitor-izacion sin contacto como con contacto. Entrelas tecnologıas empleadas para la deteccion remota

se encuentran el sonar y el hidrofono. El sonar(acronimo de Sound Navigation And Ranging) oecosonda trabaja con senales acusticas reflejadas y,a partir de ellas, es capaz de cartografiar el fondomarino y estima la abundancia y el comportamientode especies marinas. Estos estudios se realizan medi-ante campanas de investigacion en barcos pesquerosy buques oceanograficos. El funcionamiento de estedispositivo se basa, como ya se ha dicho, en impul-sos acusticos que viajan a traves del agua de manerarectilınea hasta que chocan con un objeto. En estemomento se genera el eco, las ondas sonoras reb-otan y regresan al transductor, el cual las convierteen senales electricas que forman una imagen en unmonitor. En funcion del tiempo que ha tardado laonda en rebotar y la velocidad de propagacion de lasondas sonoras en el agua (que es conocida), se cal-cula la distancia a la que la onda ha rebotado, y portanto, la distancia a la que se encuentra un objeto.

Figure 10: Transmisor V5 de Vemco [12]: de tamano de5 x 12 mm y tiempo util de 100 dıas. Transmite los datosrecogidos a su identificador cada 90 segundos.

Por otro lado, el hidrofono, ademas de emplearsetambien para estimar poblaciones y comportamien-tos, se utiliza para medir la presencia de cier-tas especies concretas, como los cetaceos, estudiarsenales de ecolocalizacion y medir la exposicion demamıferos marinos a sonidos de origen humano,entre otros. Su funcionamiento es analogo al delmicrofono: mediante un transductor electroacustico,convierte las vibraciones sonoras, presentes en formade presion dentro de agua, en energıa electrica, esdecir, en espectro audible humano, que son frecuen-cias que podemos percibir con cierta facilidad parasu comprension y estudio.

En lo que refiere a tecnologıas acusticas de moni-torizacion con contacto, se encuentran los hidrofonosautonomos. Estos dispositivos son implantados enanimales marinos, recogen informacion de su objetode estudio y la almacenan hasta que son recuperados.Este proceso requiere un dispositivo que, adherido alanimal, transmita los datos registrados y un dispos-itivo receptor ubicado cerca del transmisor, a unadistancia maxima de unos 200 metros en espaciosabiertos. La informacion almacenada se envıa al re-ceptor con periodicidad mediante una senal acusticacon una frecuencia que varıa entre 68 a 300kHz yes entonces cuando se estudia. Este metodo permiteanalizar, entre otras cosas, la migracion de las es-pecies ya que recogen informacion sobre el tiempoque residen las especies en una zona concreta e in-cluso, mediante la triangulacion, algunos dispositivosson capaces de determinar las trayectorias de los an-imales a tiempo real.

35

5

VI. MONITORIZACION DE AMBIENTES YECOSISTEMAS MARINOS

Ademas de la monitorizacion de especies, parael estudio de los ecosistemas marinos, es tambienmuy relevante la observacion de los parametros fisi-coquımicos que caracterizan el medio donde habitanestos organismos.

A. Monitorizacion mediante redes de sensoresinalambricas

Para ello, el uso de redes de sensores inalambricaso Wireless Sensor Networks (WSN) nos ofrece unasolucion de facil despliegue, operacion y manten-imiento, con un coste y un impacto medioambien-tal relativamente reducidos, haciendolas muy atrac-tivas para proyectos de pequena escala en espaciosacuaticos como lagos, rıos y zonas marinas.

Este ultimo caso es el que se describe en [6] dondese detalla un sistema para la vigilancia de ecosis-temas marinos basada en WSN implantado en la al-bufera del Mar Menor, y propuesto como un marcofacilmente adaptable a muchas otras regiones mari-nas.

Una WSN esta compuesta por diversos nodos sen-sores y encaminadores que se comunican entre sı demanera inalambrica y se agrupan en subredes regi-das por un nodo coordinador que transmite los datosrecibidos a un servidor remoto.

Los nodos se comunican entre ellos mediante Zig-Bee, un conjunto de protocolos de comunicacion sincables para radiodifusion digital de bajo consumo.Se trata de un protocolo multi-hop, donde dos nodospueden comunicarse entre ellos aunque esten fueradel rango de transmision si hay otros intermediosque los conecten. Estas prestaciones lo hacen muyinteresante para nuestro proposito pues combinanuna gran autonomıa de las baterıas con un buenrango de red.

La estructura de las boyas que forman los nodossensores tiene una gran relevancia en este contextopor los retos que el ecosistema marino plantea en sudiseno y operacion. Hay muchos factores a ser con-siderados como su visibilidad, estabilidad ante condi-ciones meteorologicas adversas, y la estanqueidad dela electronica, por nombrar algunos.

El esquema basico propuesto y probado por[6] consiste, a grandes rasgos, en una barra deacero inoxidable con una boya en el centro,con un contrapeso y los sensores bajo el agua,y la electronica, los aparatos de comunicacion ylos paneles solares en el extremo superior de la barra.

Finalmente, la aplicacion de usuario de estas redespuede ser implementada en LabVIEW, ayudando a lavisualizacion del despliegue de la red y de los datosrecopilados, tanto de parametros del sistema (tem-peratura, voltaje de las baterıas y la electronica),como de la informacion recopilada por los sensores yla instrumentacion dedicada.

Figure 11: Estructura mecanica de la boya

B. Sensores opticos de bajo coste para ladeteccion de hidrocarburos

Los derrames de petroleo en zonas biologicamenteactivas son un problema al que se enfrentan los eco-sistemas marinos. Para mejorar las posibilidadesde recuperacion es crucial actuar rapidamente pueslos hidrocarburos se mezclan inmediatamente con elagua. Por este motivo el desarrollo de sensores lowcost y robustos con los que se puedan construir ex-tensas redes de deteccion es crucial.

Para detectarlos se pueden usar diferentesmetodos. En [5] se considera medir el coeficiente dereflexion de la superficie del agua, dado que la pres-encia de hidrocarburos alterara este valor. Para ellosimplemente se dispone una fuente de luz (LED, deun color determinado) y un fotodetector cerca de lasuperficie del agua.

VII. CONCLUSION

En definitiva, las especies y los ambientes marinoshan sido objeto de estudio a lo largo de toda la his-toria con el fin de extraer beneficios y avanzar comocivilizacion. Como hemos visto en este artıculo, hoyen dıa disponemos de varias tecnicas y dispositivosque nos permiten la exploracion y estudio de los eco-sistemas marinos, pero aun sigue siendo un objetivoy reto para la comunidad cientıfica el disenar instru-mentos i dispositivos cada vez mas precisos, fiablesy economicos con animo de realizar investigacionesmas provechosas.

Aunque se ha intentado mostrar una breve pince-lada de las tecnicas de medicion del oceano masusadas, algunos de los metodos no se han podidoexplicar con suficiente detalle y otros muchos no sehan tratado en absoluto. Por eso se recomienda allector hacer una busqueda mas profunda sobre loque es un tema muy interesante; empezando, porejemplo, en uno de los textos de la bibliografıa.

36

BIBLIOGRAFIA 6

Bibliografıa

[1] Davide Anguita et al. Smart Plankton: a NatureInspired Underwater Wireless Sensor Network. Jan.2008. doi: 10.1109/ICNC.2008.634.

[2] Moore C et al. “Optical tools for ocean monitor-ing and research”. In: Ocean Science (Dec. 2009),pp. 661–684. doi: 10.5194/os-5-661-2009.

[3] National Band Tag Company. url: https://www.nationalband.com/.

[4] Olga Lopera, Alexander Borghgraef, and Eric Mer-sch. “The Special Case of Sea Mines”. In: Aug.2017. isbn: 978-953-51-3303-2. doi: 10.5772/66994.

[5] Lorena Parra et al. “Low cost optic sensor for hy-drocarbon detection in open oceans”. In: Instru-mentation Viewpoint 18 (2015), p. 45. url: http://hdl.handle.net/2117/77614.

[6] C. Perez et al. “A system for monitoring marineenvironments based on Wireless Sensor Networks”.In: OCEANS 2011 IEEE - Spain (July 2011), pp. 1–6. doi: 10.1109/Oceans-Spain.2011.6003584.

[7] Paul Ponganis et al. “Sub-ice foraging behavior ofemperor penguins”. In: The Journal of experimentalbiology 203 (Dec. 2000), pp. 3275–8.

[8] Oregon RFID. PIT tags. url: http://support.

oregonrfid.com/support/solutions/articles/

5000003660-pit-tags.

[9] Paolo Rossi et al. “Needs and Gaps in OpticalUnderwater Technologies and Methods for the In-vestigation of Marine Animal Forest 3D-StructuralComplexity”. In: Frontiers in Marine Science 8(2021), p. 171. issn: 2296-7745. doi: 10 . 3389 /

fmars . 2021 . 591292. url: https : / / www .

frontiersin.org/article/10.3389/fmars.2021.

591292.[10] Robert Stewart. Introduction To Physical Oceanog-

raphy. Vol. 65. Jan. 2008, p. 353. isbn: 0132381559.doi: 10.1119/1.18716.

[11] Naciones Unidas. Cuidar las especies marinas sig-nifica cuidar nuestro futuro. url: https://unric.org / es / cuidar - las - especies - marinas -

significa-cuidar-nuestro-futuro/.[12] “V5 180 kHz Coded Transmitters”. In: (2016). url:

https://www.oceans-research.com/wp-content/

uploads/2016/09/180khz-tags-1.pdf.[13] Peiqin Zhuang et al. “Marine Animal Detection and

Recognition with Advanced Deep Learning Mod-els”. In: (2017).

37

Sistema de control automatic i aplicacions en l’agricultura

Julia Sanz, Marc de Miguel Comella, Andres OriolInstrumentacio. Grau en Enginyeria Fısica. Universitat Politecnica de Catalunya.

La produccio d’aliments a gran escala que es porta a terme avui en dia sovint s’enfronta a reptescom malalties o sequeres. Ja fa uns anys que s’utilitzen diferents tipus de sensors per intentaroptimitzar al maxim la produccio agrıcola, i es un camp on encara hi ha molta recerca activa. Enaquest treball analitzarem diversos casos reals d’aplicacions de sensors en l’agricultura i tot seguitpresentarem la nostra implementacio d’un sistema de control de rec basat en sensors utilitzantArduino.

I. INTRODUCCIO

L’us de sensors en l’agricultura ha demostrat ser molteficac en protegir cultius de plagues i ajudar a produirproductes de millor qualitat. El nostre objectiu esexposar quins son alguns dels problemes que podenafectar la produccio agrıcola i com han ajudat elssensors moderns a millorar la situacio. En la segonapart d’aquest treball explicarem com hem dissenyatun sistema de control de rec automatic amb Arduino,presentant els principis de funcionament dels diferentssensors que utilitzem.

II. SENSORS EN L’AGRICULTURA

En agricultura s’han utilitzat un gran nombre desensors, sovint amb un component de control, per amonitoritzar les plantacions. S’han vist des de sensorssenzills com el sensor d’humitat, fins a coses com cameresper a monitoritzar els camps en temps real.

Un dels problemes mes comuns son les plagues queafecten els cultius. En concret, posarem com a exemple elfong de la Pyricularia (Magnaporthe grisea), que provocaun fenomen conegut com la fallada de l’arros. Aquestfong causa fins a un 30% de danys1 a les collites i afecta ala majoria de paısos del mon. Es considerada la malaltiames important de l’arros2 i fins i tot, se sap que ala segona guerra mundial els Estats Units va prepararespores de la Pyricularia per fer malbe els cultius delJapo3.

FIG. 1. Fallada de l’arros (rice blast)

En aquest context, han aparegut moltes eines quebusquen utilitzar sensors que ajudin a evitar lescondicions propıcies que farien que el fong es puguireproduir. Segons diversos estudis4, si la humitat esmante per sota del 89%, aleshores el fong perd lacapacitat de produir espores i no es propagaria, ambun marge de fins el 93%5. Tot i aixo, el cultiu del’arros necessita molta humitat en el sol i per tantestem parlant de rangs molt estrets en els que interessamantenir la humitat. Per aixo, te sentit utilitzar sensorsque mantinguessin una humitat dins d’aquest rang, perassegurar tant la produccio optima com l’aturament delfong.

Tambe es poden considerar altres factors com latemperatura. Aquesta, pero, es mes difıcil de controlari depen sobretot del clima de la zona. Sovint un delssistemes que s’utilitza per controlar la temperatura encultius consisteix en regar mes o menys6, aixı que aras’ha de tenir en compte la humitat i la temperatura coma dos factors no independents, i per tant necessiten estaren la mateixa unitat de control. Per a mesurar l’efecte dela temperatura, sovint s’utilitza una mesura anomenadaevotranspiracio (mesurada en mm per unitat de temps)que indica la quantitat d’aigua del sol que es va perdent acausa de la temperatura. El seu valor depen del clima decada zona i sovint s’ajusta utilitzant models de regressio7.

III. SISTEMA DE CONTROL DE REC

A continuacio, proposem un sistema basat en Arduinoque ens permet monitoritzar la humitat del sol i quetambe disposa d’un sensor de temperatura i d’humitatambiental. El processament de les mesures dels sensorsens permetria controlar les condicions de qualsevol cultiudel que sapiguessim els marges d’humitat i temperaturaapropiats. Tambe hem creat una aplicacio des d’on poderllegir les mesures i interactuar amb el sistema. Totaquest muntatge aniria connectat a una bomba d’aiguaque permetria regular el rec segons convingui.

A. Components

Per al nostre projecte hem hem utilitzat els seguentscomponents fısics:

38

2

• Placa Arduino Ethernet

• Sensor de temperatura i humitat DHT11

• Sensor capacitiu d’humitat del terra v1.2

A mes, hem utilitzat la plataforma de disenyd’aplicacions mobil per android MIT App Inventor8 per ala creacio d’una aplicacio que permet a l’usuari el controlcomplet del sistema de rec.

1. Placa Arduino Ethernet

L’Arduino Ethernet es una placa de desenvolupamentArduino amb la possibilitat de comunicacio a travesd’ethernet. Te 14 pins digitals d’entrada/sortida i 6entrades analogiques, de les quals nosaltres utilitzaremnomes les analogiques per connectar els sensors d’humitati temperatura. Tambe utilitzarem els pins d’alimentacioa 5 V per alimentar els sensors i els pins GND perconnectar els sensors a terra.

2. Sensor capacitiu d’humitat del terra v1.2

Aquest sensor capacitiu9 te com a principal avatatgeque aguanta la corrosio molt mes que els sensors resistius.El funcionament del sensor es basa en mesurar lacapacitancia entre 2 electrodes inserits dins el sol. Lacapacitancia entre els electrodes dependra de la humitatde terra, de manera que per un sol molt humit tindremuna capacitancia molt baixa i per a un sol molt sec lacapacitancia sera molt alta. L’electrode va connectat auna targeta de condicionament que lliura una sortidaanalogica (A0). Aquesta sortida, allibera un voltatgeanalogic des de 0 V per a un sol molt humit fins 5 Vper a un sol molt sec. Per a la connexio a Arduino hemde connectar la sortida analogica del modul a una entradaanalogica de la placa.

Un petit inconvenient d’aquest sensor, encara que nosignificatiu, es que com que mesura la capacitancia,realment esta mesurant la capacitancia dels ions dissoltsen l’aigua ja que l’aigua en sı no es conductora. Aixoprovoca que si afegim compost al sol, es podria donarel cas que pugin o baixin els nivells d’acidesa d’aquest iafectin al resultat. Per aixo es important fer un calibratgedel sensor tal com es mostra en la seccio III B 1.

Les seves principals caracterıstiques son:

VCC 3.3 a 5 VVout 0 a 5V (Analogic)

Conector PH2.0-3P

3. Sensor de temperatura i humitat DHT11

El DHT11 es un sensor digital de temperatura ihumitat relativa de baix cost i facil us. Integra un

sensor capacitiu d’humitat i un termistor per mesurarl’aire circumdant, i mostra les dades mitjancant unsenyal digital al pin de dades (no posseeix sortidaanalogica). S’utilitza principalment en aplicacionsacademiques relacionades amb el control automatic detemperatura, aire condicionat, monitoritzacio ambientalen agricultura i d’altres.

El principi fısic darrere del sensor d’humitat es elmateix que en el sensor d’humitat del sol; es capacitiui consta de dos electrodes separats per un material queabsorbeix l’humitat de l’aire i canvia la seva permitivitat.El sensor de temperatura es basa en un termistor NTC,basicament una resistencia que canvia de valor per latemperatura segons l’equacio:

RT = R0eβ(

1T − 1

T0

)

Utilitzar el sensor DHT11 amb les plataformes Arduinoes molt senzill tant a nivell de software com hardware. Anivell de software es disposa de llibreries per Arduinoamb suport per al protocol ”Single bus”. Pel que fa a elhardware, nomes cal connectar el pin VCC d’alimentacioa 3–5 V, el pin GND a Terra (0 V) i el pin de dades a unpin digital al nostre Arduino. Si es vol connectar diversossensors DHT11 a un mateix Arduino, cada sensor ha detenir el seu propi pin de dades. Potser l’unic desavantatgede l’sensor es que nomes es pot obtenir noves dades cada2 segons, cosa que no es un gran inconvenient per a lanostra implementacio.

Les seves principals caracterıstiques son:

Vcc 3-5 V

Rang de Temperatures 0 a 50 ºCPrecisio en la Temperatura ±2 ºC

Resolucio en la Temperatura 0.1 ºC

Rang d’Humitat 20% a 90% HrPrecisio en la Humitat ±4% Hr

Resolucio en la Humitat 1% Hr

B. Muntatge

Per al muntatge de la nostra estacio meteorologica hemprocedit a fer el muntatge descrit en la Figura ??.

1. Connectem el sensor de l’humitat del sol a la sortidaA0, el sensor d’humitat i temperatura DHT a lasortida 2 i la pantalla LED a la sortida A5 i 4 (veurela figura).

2. Connectem tots els components components a lafont comuna d’alimentacio de la placa de 5V i alGND.

3. Per ultim, a l’hora d’utilitzar el sistema, hauremde connectar la placa Arduino amb un cableEthernet corresponent a la xarxa local des d’on esfaran les comunicacions, al igual que a una font

39

3

d’alimentacio (en el nostre cas el mateix ordinador,pero de cara a una aplicacio real del sistemas’hauria de connectar a una bateria).

FIG. 2. Esquema de muntatge

1. Calibracio dels sensors

Abans d’utilitzar el sensor d’humitat del terra, esnecessari una calibracio a priori per veure en quinsvalors de voltatge ens movem. Encara que sembli moltsenzill, el metode mes utilitzat es mesurar els valors encondicions de 0% d’humitat i en 100% d’humitat i feruna aproximacio lineal. El que es fa es mesurar primerel voltatge en sec per prendre el valor del 0 i despressubmergir el sensor en aigua per mesurar el valor a 100%d’humitat. Amb aquesta aproximacio lineal no estemcometent gaire error pel que volem aplicar. Com hem ditabans la humitat i el voltatge tenen una relacio inversa.

C. Codi

En aquesta seccio es descriura la implementacio delcodi que hem fet servir. Per a veure el codi complet,l’hem inclos en l’annex.

El primer que vam haver de fer en quan a codiva ser instal·lar les llibreries pertinents de cadascundels components utilitzats i incloure-les al principi delprograma, per a poder accedir a totes les funcions de lesquals estan dotats.

A continuacio definim els pins on hem connectat elscomponents i determinem si son entrades o sortides,definim la direccio MAC (0xDE 0xAD 0xBE 0xEF0xFE 0xED per defecte) i IP a la que volem que lanostra placa Arduino es connecti (en el nostre cas(192.168.1.177), pero pot ser qualsevol adreca que noestigui en us). Tambe s’ha de definir el port HTTPque farem servir per a les comunicacions. Tot seguit

s’inicialitzen els components; preparem la pantalla ledi iniciem la connexio de xarxa i serie en el void setup().

En el void loop() es on hi trobem el pes real delprograma. El primer que fem es esperar a que algunclient (l’usuari des de l’aplicacio) es connecti a la webdel port 81, fem una peticio get de client HTTP iemmagatzemem les ordres enviades des de l’aplicaciodins de la href en una cadena de text.Un cop ha acabat la peticio, es tracta de determinar queens esta demanant el client. En el nostre cas quan desde l’aplicacio enviem l’url http://192.168.1.177?OM,el programa arduino es que fa es buscar si en aquestacadena de text que ha emmagatzemat hi troba elscaracters ?OM, i si es el cas, el que hem fet es programarel que representaria la posada en marxa del sistemamitjancant la lectura i representacio de les dades delssensors.Si en canvi el que rebes fos http://192.168.1.177?OFF,en el codi arduino es traduiria com a la programacio perapagar el sistema.

En qualsevol dels dos casos, despres d’executar elprograma pertinent, enviem la capcalera web per indicarque la connexio ha sigut un exit i retornem dades alclient. Si el que hem fet es encendre el sistema, el clientrebra una cadena de text amb les 3 lectures dels sensorsseparades per comes, i en el cas que l’hagim apagat,rebra una string amb el text apagat.

Un cop el client ha rebut les dades pertinents,s’interromp la connexio, la peticio HTTP s’inicialitza aun text buit i tanquem la connexio.

D. Aplicacio

Com s’ha descrit abans, l’usuari enviara les peticionsde client a traves de l’aplicacio, i es comunicara axı ambla placa Arduino.

A nivell de disseny, l’aplicacio consta dels seguentselements (Figura 3):

• 3 botons; un per encendre el sistema, un perapagar-lo i un ultim amb la informacio basica sobreel funcionament de l’aplicacio.

• 4 imatges que actuen a mode de botons queemmagatzemen les dades obtingudes pels sensors alfer les mesures. Guarden la temperatura, humitatrelativa de l’aire, humitat del sol ( moisture ) i unaultima amb totes les dades a la vegada.

• Tambe s’hi ha introduıt un element invisible deconnectivitat anomenat Web1, que proporciona lesfuncions necessaries per a dur a terme les peticionsentre l’aplicacio i la placa.

40

4

FIG. 3. Interfıcie d’usuari de l’aplicacio. Es mostra el que veul’usuari quan demana informacio sobre que pot fer l’aplicacio.

El que definim primer son les variables onemmagatzemarem les diferents lectures i respostesper a cada accio.

Mitjancant el Button1 i el Button2 ens comuniquemamb l’Arduino per a que faci les mesures pertinentsi amb el Button3 despleguem la informacio d’us del’aplicacio.

Les imatges estan programades de tal forma que alfer-hi click, si s’ha fet alguna mesura del sistema, ensmostri el valor de la dada que li estem demanant perpantalla. En cas que no s’haguessin inicialitzat lesmesures, l’aplicacio t’indica que encenguis el sistema dereg pe poder veure el valor demanat.

La part mes interessant del codi la trobem quan laWeb1 reb el text que es retorna per part de la placaArduino a l’aplicacio. Si el que reb es una senyal dientque s’apaga el sistema, el que fa es esborrar les dades quepugui tenir emmagatzemades el programa i mostrar perpantalla que s’ha apagat el sistmea. Si reb una respostadiferent, crea una llista on cada element correspon acadascuna de les diferents mesures preses, i a continuacioguarda en cada variable el seu corresponent valor i sortidade text de cara a l’usuari. Per exemple, en el cas dela temperatura el que mostrara es: La temperatura

exterior es de 25ºC, per exemple.A continuacio el que fa es comparar les lectures dels

sensors que ha rebut amb les dades que hem introduıten les que el fong Pyricularia orynzae es desenvolupa. Sicompleix les condicions d’humitat i temperatura informal’usuari que les condicions son propenses per a queaparegui, i en cas contrari, que no hi ha cap perill.

En cas que hi hagues hagut un error en lescomunicacions es mostraria un codi d’error a l’usuari.

IV. CONCLUSIONS

Un dels avantatges de construır un sistema de controlautomatitzat per a una plantacio mitjancant la utilitzaciodels components que s’han descrit anteriorment en eltext es que per un preu molt economic es pot construırun sistema programable i adaptable a les necessitatspropies de cada usuari relativament senzill de programari de muntar.

En el nostre cas, el que hem fet ha estat un programaque amb les mesures donades a traves dels sensors,determines si es donaven les condicions optimes per a laproliferacio de la Pyricularia orynzae. Tot i que puguisemblar un cas poc practic per al gran public, la idea esque les condicions es poden modificar facilment a travesde l’aplicacio per tal de respondre a les necessitats dereproduccio i creixement de qualsevol planta de jardı.D’aquesta forma, mitjancant la instal·lacio d’una bomba,a mes de l’obtencio de dades, es podria actuar en funciode les necessitats de reg de cada planta en particulardeforma automatitzada.

Fins i tot, aquesta aplicacio seria facilment escalable jaque amb poc sensors es podria monitoritzar una extensiomolt gran de cultiu i implementar rec automatic per total’extensio, ajudant aixı a combatre un dels problemesque mes afecten a la produccio d’aliments.

Des del nostre punt de vista el major inconvenientes que el nostre sistema queda limitat a una xarxad’internet local degut a la utilitzacio d’una placaEthernet Shield. Per a futures millores, mitjancantla modificacio d’aquesta placa per una Arduino WiFi,i canviant els protocols de comunicacio que forennecessaris, es podria disposar del control automatitzatdel sistema des de qualsevol lloc i en qualsevol moment.

Tambe s’ha de tenir en compte que per al programa quehem fet, tot i no requerir d’un codi massa extens, hemutilitzat quasibe a la seva total capacitat la memoria dela targeta Arduino. Per a solucionar aquest problema enaplicacions que requerisin un tractament mes complex,nomes caldria introduır una targeta de memoria a laplaca per a augmentar-ne la capacitat, i reduır elsploblemes d’estabilitat que es podrien donar.

Tot i aixo, la base del sistema tant en muntatge com

41

5

en programacio dels components no es veuria afectada,pel que no suposaria un gran inconvenient, cosa quesumat al preu accessible i al gran recurs d’informaciolliure disponible, faria el canvi molt mes senzill.

V. BIBLIOGRAFIA

[1] Jian-Min Zhou. “Plant Pathology: A Life and DeathStruggle in Rice Blast Disease”. In: Current Biology26.18 (2016), pp. 843–845. doi: https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.08.038.

[2] Adam Sparks, NP Castilla, and CM Vera Cruz. Blast(leaf and collar). url: http://www.knowledgebank.

irri.org/training/fact-sheets/pest-management/

diseases/item/blast-leaf-collar.

[3] Eric Croddy and James J. Wirtz. Weapons of MassDestruction: An Encyclopedia of Worldwide Policy,Technology, and History. 2005. isbn: 1851094903.

[4] Shivani R. Rice Blast: Meaning, Symptoms and DiseasePredication. url: https://www.biologydiscussion.

com/plants/plant-diseases/rice-blast-meaning-

symptoms - and - disease - predication - plant -

disease/43034.

[5] Christopher A. Greer. Agriculture: Rice PestManagement Guidelines. url: https : / / www2 .

ipm.ucanr.edu/agriculture/rice/Rice-Blast/.

[6] Britannica. Weather conditions and controls. url:https : / / www . britannica . com / technology /

agricultural - technology / Weather - conditions -

and-controls.

[7] Mohammad Valipour. “Temperature analysis ofreference evapotranspiration model”. In: MeteorologicalApplications 22 (2015), pp. 385–394. doi: 10 . 1002 /

met.1465.

[8] Massachussetts Institute of Technology. MIT AppInventor. url: http://appinventor.mit.edu/.

[9] Micro Robotics. Capacitive Soil Moisture Sensor V1.2.url: https://www.robotics.org.za/CAP-SW-12.

[10] Enrique Gomez. Encender un LED con AppInventory Arduino Ethernet. url: https : / / www .

rinconingenieril . es / appinventor - y - arduino -

ethernet/.

VI. APENDIX

A. Codi Arduino

#include <SPI.h>#include <Ethernet.h>#include <DHT.h>#include <Arduino.h>#include <U8g2lib.h>#include <Wire.h>U8G2_SSD1306_128X32_UNIVISION_F_HW_I2Cu8g2(U8G2_R0, U8X8_PIN_NONE);#define DHTPIN 2 // Digital pin connected tothe DHT sensor#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);#define image_width 128#define image_height 21

// Posem la direccio MAC i IP que volem queutilitzi la nostra// placa Arduino per connectar-se al Routerbyte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};IPAddress ip(192,168,1,177);String readString;EthernetServer server2(80);int rele = 13;float h = 0;float t = 0;

// Punts de calibracio del sensor d'humitatconst int max_humid = 361;const int min_humid = 669;int lectura = 0;int humidity = 0;

//Inicialitzem la pantalla LEDvoid u8g2_prepare() {

u8g2.setFont(u8g2_font_6x10_tf);u8g2.setFontRefHeightExtendedText();u8g2.setDrawColor(1);u8g2.setFontPosTop();u8g2.setFontDirection(0);

}

void setup() {Ethernet.begin(mac, ip);server2.begin();Serial.begin(9600);u8g2.begin();u8g2_prepare();Serial.begin(9600);dht.begin();

}

void loop() {EthernetClient cliente = server2.available();if (cliente) {

42

6

boolean currentLineIsBlank = true;while (cliente.connected()) {

if (cliente.available()) {char c = cliente.read();if (readString.length() < 100) readString += c;if (c == '\n') delay(2000);if(readString.indexOf("?OM") >0){// Llegim les dades dels sensors

h = dht.readHumidity();t = dht.readTemperature();if (isnan(h) || isnan(t)) {

Serial.println(F("Failed to read from DHT 1sensor!"));return;

}float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);lectura = analogRead(A0);

// Percentatge d'humitat calibraciohumidity = map(lectura, max_humid, min_humid, 100, 0);

// Mostrem pel pantalla a traves del COM3//d'Arduino les dades obtingudesSerial.print(F("Humidity: "));Serial.print(h);Serial.print(F("% Temperature: "));Serial.print(t);Serial.print(F("°C "));Serial.print(F(" Heat index: "));Serial.print(hic);Serial.println(F("°C "));Serial.print(F("Soil Moisture: "));Serial.print(humidity);

// Mostrem les dades a la pantalla LEDu8g2.clearBuffer();u8g2_prepare();u8g2.setCursor(0, 0);u8g2.print("Estacio Meteorologica");u8g2.setCursor(0, 11);u8g2.print("T= ");u8g2.print(t);u8g2.drawUTF8(50, 11, "\xb0");u8g2.print(" C");u8g2.setCursor(0, 22);u8g2.print("H= ");u8g2.print(h);u8g2.print(" %");u8g2.sendBuffer();delay(1500);

// Enviem la informacio a la appcliente.println("HTTP/1.1 200 OK");cliente.println("Content-Type: text/html");cliente.println();cliente.print(h);cliente.println(",");cliente.print(t);

cliente.print(",");cliente.print(humidity);cliente.print(",");cliente.print("c");

}else if (readString.indexOf("?OFF") >0) {

u8g2.print("EstacioMeteorologica OFF")cliente.println("HTTP/1.1 200OK");cliente.println("Content-Type:text/html");cliente.println();cliente.print("apagat");

}break;

}}}delay(1);readString="";cliente.stop();

}}

43

7

B. Codi Aplicacio

FIG. 4. Codi en blocs de l’aplicacio

44