sensores para maquinaria agrícola - inti · las estructuras térmicas se calientan y se enfrían...
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12/11/2014
Sensores para Maquinaria AgrSensores para Maquinaria Agríícolacola
Carles CanCarles CanééCentro Nacional de MicroelectrCentro Nacional de Microelectróónica nica -- CSICCSIC
BarcelonaBarcelona-- EspaEspaññaa
Buenos Aires, 5 Noviembre 2014Buenos Aires, 5 Noviembre 2014
12/11/2014
• Necesidades del sector agroalimentario.•Qué pueden hacer los sensores y las micronanotecnologías.•Impacto en distintos escenarios•Aplicaciones en maquinaria agrícola•Ejemplos en otras aplicaciones alimentarias:
• GoodFood, FoodMicrosytems,…
IndiceIndice
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Centro Nacional de Microelectrónica.CSICCentro Nacional de Microelectrónica.CSIC
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MST, M&NT, NST, MEMS, NEMS...: Qué son?
Comunication
Data-in A/D
MicroNanosystemMicroNanosystemData-out
A/D
Actuators
Control & Processing
Sensors
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� Segundo elemento en al superfície de la tierra, después del oxígeno
� El Silicio no existe de forma libre
� Normalmente en forma de SiO2
Fundamentos de Micro Nano electrónica: El materialFundamentos de Micro Nano electrónica: El material
12/11/2014november 2014 6
SURFACESURFACESURFACESURFACE
BULKBULKBULKBULK
Active Substrate
Passive Substrate
•Less integration•More robustnes
•More integration, more versatility•”Easier”
•More complexity
Mecanizado del Silicio: en Volumen y en SuperficieMecanizado del Silicio: en Volumen y en Superficie
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dispositivo
Instrumentos miniaturizados de bajo coste
Componentes ysubsistemas
oblea
portátil benchtop
Sensores y Micro-Nanosistemas:Del Chip….al instrumentoSensores y Micro-Nanosistemas:Del Chip….al instrumento
Micro y NanoIntegración
12/11/2014
Por qué la combinación entre el Sector Electrónico y el Alimentario
Por qué la combinación entre el Sector Electrónico y el Alimentario
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MATERIALS
Sca
le lim
it m
ast
ere
d b
y te
chnolo
gy
Tissues Cells Genes Proteins
Biocomplicity:APM
Stone
Wood
Iron
Silicon
Atoms
CNT Cells
DNANano size:
be closer to the biological media to improve specs
NanoTechnology: A crossroadNanoTechnology: A crossroad
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Cuando se reducen las dimensiones:
las relaciones L/S y S/V aumentan
las estructuras térmicas se calientan y se enfrían más rápido
las estructuras se calientan con menos energía
las estructuras padecen menos estreses térmicos
las estructuras tienen menos inercia mecánica
la difusión en un fluido es más rápida
la mezcla en los microcanales es más difícil
el efecto de tensión superficial crece
El consumo energético es distinto
…
NanoTecnología: Reducción de dimensionesNanoTecnología: Reducción de dimensiones
12/11/2014Neus SabatéFase de Oposición
TIPOS DE FUENTES DE ENERGÍA
GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
SISTEMAS DE SCAVENGING ENERGÉTICO SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ENERGÈTICO
Aprovechan la energía ambientalAltamente miniaturizables. Sólo dependen de la escalabilidad de la tecnología con la que se fabriquenDependientes de la disponibilidad energéticaDiseñados ad-hoc para cada aplicación
Energía almacenada para ser liberada según necesidad Posibilidad de regular la potenciaEscalabilidad crítica con la energía a almacenarSe acaban. Necesidad de repostar
�
x
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x
x
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¿SEXDRUGS
ROCK&ROLL?
¿NANO in FOOD?
NanoTecnología: Nuevas ideas, Nuevas aplicaciones
NanoTecnología: Nuevas ideas, Nuevas aplicaciones
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La cadena alimentaria. Etapas en las que debeasegurarse la seguridad y calidad
ConsumoRecolección Transporte Transporte Almacenamiento
Storage
Procesado
Farmers Industrials RetailersConsumers
(transforming, poisoning)
(active-evolving, degrading)
(degrading)
Contribución de los Microsistemas: cercanía al alimento o punto de manipulación
Calidad y Seguridad con Microsistemas
to eat, or not to eat.
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¿Cómo pueden contribuir los microsistemas?
• Soluciones actuales consisten en:– Análisis en laboratorio (costoso y lento)
– Intervención de expertos (costoso y subjetivo)
– Destructiva, no masiva
De acuerdo con el concepto Internet of ThingsDe acuerdo con el concepto Internet of Things
� Alterntiva Microsistemas:� Dimensiones reducidas – portabilidad, Field Tests� Respuesta rápida y menor consumo de reactivo� Funcionamiento autónomo (sin presencia de expertos)
� Salida eléctrica – bajo coste, conectividad � Solución pervasiva y ubícua
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• Portabilidad: Pequeñas dimensiones. Bajo peso
• Bajo Coste: Tecnologías de producción en masa
• Autonomía: Bajo consumo energético
• Ubicuidad
• Fiabilidad, Robustez
• Inteligencia, Valor añadido
• Otras propiedades mecánicas, térmicas y fluídicas
• Respuesta rápida
Qué aporta la miniaturización de los sistemas electrónicos?Qué aporta la miniaturización de los sistemas electrónicos?
12/11/2014
¿Micro&Nanosistemas en Food:Percepción del Consumidor?¿Micro&Nanosistemas en Food:Percepción del Consumidor?
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Acercando el laboratorio al producto
Based on
JOMA, 29Feb04
La Vanguardia
O?
Es necesaria un esfuerzo de explicación al consumidor
¿Micro&Nanosystemas en Food:Invasivo o No Invasivo?¿Micro&Nanosystemas en Food:Invasivo o No Invasivo?
nano inside label:
warranty or concern?
GMO lesson!!
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� La dimensión Nano permite:� Mayor integración en nanoelectrónica�Conseguir nanoelectrodos con densidades de campo mayores� Aumentar la relación S/V�Funcionalizar las superfícies
�Nanotecnologías son interesantes en la medida que mejoran las especificaciones de los sensores/sistemas
¿Nanotecnologías top-down para Food?¿Nanotecnologías top-down para Food?
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Seguridad
Calidad
Logística
Trazabilidad Mejora de procesos Nutrición
Principales preocupaciones de la industria alimentaria y de los consumidoresPrincipales preocupaciones de la industria alimentaria y de los consumidores
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• Seguridad:
– Microbiológica:
• Patógenos:
– Salmonela y Listeria
– Hongos:
– Aspergilus
– Contaminación química:
• Antibióticos
• Pesticidas
• Micotoxinas
• Sistemas:
– Inmunosensores: identificación de químicos
– Sensores de ADN: identificación de organismos vivos
– Microfluídica
– Óptica
Aplicaciones en Seguridad AlimentariaAplicaciones en Seguridad Alimentaria
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• Calidad:– Frescura, – Madurez, – Contenido de azúcares – Sabor, tamaño, color, olor…
• Sistemas:– Físicos: Estrés, Fuerza,
Temperatura– Químicos:
• Gas (Aromas,…)• Líquidos (pH, contenido de
iones,….)
– Ópticos: color, tamaño, forma,…
• IR, Imágenes térmicas
Aplicaciones en Calidad AlimentariaAplicaciones en Calidad Alimentaria
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• Logística:
– Transporte y Almacenamiento • Productos perecederos: Lácteos, frutas y
vegetales, pescado, carne, ...
• Almacenamiento y climatización a largo plazo: Silos, Cámaras
• Empaquetado., Embalaje inteligente
– Parámetros:• Frescura
• Madurez
• Contaminación
• Cadena del frío
• Dispositivos y sistemas:
– Sistemas sensores:• humedad,
• temperatura,
• luz
• pH
• volátiles
– RFIDs y Registradores de datos
Aplicaciones en Logística AlimentariaAplicaciones en Logística Alimentaria
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• Trazabilidad (origen y anti-fraude)– Identificación de la fuente de
producción• Producto Natural: Región de
producción• Producto sintético: Planta de
producción
– Identificación y comparación de lotes
• Técnicas– Detección de proporciones de
isótopos (d12H, d13C, d14N, d18O)– Espectroscopia IR (absorción de
alimento según composición)– Biología molecular (DNA,
compación…)– Quimiometría: Análisis químico
Aplicaciones en Trazabilidad AlimentariaAplicaciones en Trazabilidad Alimentaria
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• Nutrición / Nuevos Productos Alimenticios:
– Filtrado de grasa
– Nuevas emulsiones
– Productos “Bio”
• Dispositivos y sistemas:
– AMI y sistemas de comunicación
– Pasivos / Mecánicos: • Filtros, Boquillas, micro y nanocapas
protectoras
• Biosensores
• Micells
• Cápsulas
Aplicaciones en Nutrición Aplicaciones en Nutrición
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• Mejora de Procesos Agrícolas:
– Agricultura “Inteligente”: AmI
– Monitoreo on-line de tierras y procesos de producción
– Redes de sensores
– Comunicaciones inalámbricas
– Maquinaria agrícola
• Control de Automatización de Fábrica:
– Redes de sensores
• Dispositivos y sistemas:
– AMI y sistemas de comunicación
– Pasivos / Mecánicos: • Filtros, Boquillas, micro y nanocapas
protectoras
• RFID,
• WSN,
• Sensores … Físicos, magnéticos, mecánicos,
• Cámaras
Aplicaciones en mejora de la producción Aplicaciones en mejora de la producción
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Pre-cosecha: Control en el campo:
Principales objetivos:
• Agricultura de precisión.• Mejora de la productividad. Confort del conductor.• Control impacto medioambiental
Aplicaciones en el campo Aplicaciones en el campo
Tecnologías:
• Máquinaria agrícola Inteligente: • más sensores y sistemas inteligentes
• Redes de sensores Inalámbricas WSN• Ultra low power electronics y Energy harvesting
• Robots y Drones: Futuo
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Etapas de interés:
•Siembra•Puverización•Cosecha•Acopio•Ganadería
Maquinaria agrícola:
•Tractores•Cosechadoras•Sistemas de pulverización•Sistemas regadío•Tolvas•Sembradoras•….
Resultados esperados:
•Rapidez•Seguridad•Fiabilidad•Automatización, Guiado Automático•Confort del conductor•Eficiencia y ahorro energético•Reducción de costes
Sensores para funciones internas: incrementar la precisión posicional y facilidad de uso . Demanda dependiente de número de ejes y motores
Sensores para funciones externas: recibir información de la periferia y permitir el funcionamiento automático, etc…
Control en maquinaria agrícola: Control en maquinaria agrícola:
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Funcionalidades deseadas:
Principales objetivos:
• Agricultura de precisión:• Control crecimiento de plantas , madurez• Control irrigación, abono, pesticidas,…
• Mejora de la productividad. • Confort, mayor velocidad de trabajo• Automatización
• Control impacto medioambiental• Ahorro productos fitosanitarios y de agua• Ahorro consumo fuel
Fendt.com
Ejemplo: Maquinaria agrícolaEjemplo: Maquinaria agrícola
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Tecnologías:
• Máquinaria agrícola Inteligente: • más sensores y sistemas
inteligentes• Redes de sensores Inalámbricas WSN• Ultra low power electronics y Energy
harvesting• Robots y Drones (el futuro)
Ejemplo: Maquinaria agrícolaEjemplo: Maquinaria agrícola
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Ejemplo: Un tractorEjemplo: Un tractor
Objetivo: Sensor Fusion. Combinar sensores que unitariamente no son suficientemente buenos.
From J Reid, Q Zhang
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Ejemplo: Proyecto Ecofuel, FranciaEjemplo: Proyecto Ecofuel, Francia
• Búsqueda de ahorrros de consumo de fuel en granjas, mediante la sensorización de la maquinaria.
• Monotirzación durante 15 meses
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Ejemplo: Una cosechadoraEjemplo: Una cosechadora
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- Optimización del funcionamiento de la máquina, con sensores:
- presión, - aceleración, - temperatura, capacidad (Joystics)- inclinación- control de emisiones de los motores, NoX, CO, CO2- controles inductivos, corriente, - sensores de velocidad de giro, - sobrecarga,- ultrasonidos, …
flucks
Maquinaria agrícola: SensoresMaquinaria agrícola: Sensores
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Control de la altura de los brazos de los pulverizadores
Sensores de ultrasonidosSensores de ultrasonidos
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Ejemplo: Agricultura de precisión.
GNNS: Sistemas Globales de navegación.
Ejemplo: Agricultura de precisión.
GNNS: Sistemas Globales de navegación.
Prof. Matteo Luccio https://www.sensorsandsystems.com/article/features/29160-precision-agriculture-sensors-drive-agricultural-efficiency.html
Creación de mapas de prescripción-� Carga en sistemas de Guiado� Sistemas automáticos
Imagen SIMPLOT
Características sueloFertilización
Creación zonas exclusión
Plantación automática según propiedades del suelo
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Objetivos: para definir alineaciones
• Creación de mapas de campo• Abono automático• Fumigación de precisión• Operación nocturna
Sistemas: •sistemas simples (hasta 1 m), TOM-TOM,…•sistemas de precisión < 30 cm , QMNISTAR, EGNOS, RTK
ww.aams-iberica.com, Sistema VARIOTRONIC FEMTO
Ejemplo: GPS, GNNS,
Para guiado agrícola automático
Ejemplo: GPS, GNNS,
Para guiado agrícola automático
12/11/2014
•Actúa directamente sobre el volante de dirección.•Basado en señales de CAN-BUS.•Control de sistema de rodadura para evitar daños en el cultivo y en sistemas de regadio. Eficaz para trabajos repetitivos.•Evitar compactación del suelo:
- Con bandas de rodadura: presión de aprox. 0,29 Kg/cm2. - Neumático agrícola Aprox 0,60 Kg/cm2.
John DeereTrimbleMayor precisión y productividad
Sistema de Guiado automático de tractores y máquinas agrícolas
Sistema de Guiado automático de tractores y máquinas agrícolas
12/11/2014
- Control de la variabilidad en el campo, para aplicar soluciones en el momento o para alimentar modelos para análisis futuro.
- Reduce los costes de fertilizantes mediante la aplicación mínima .
- Detección por diodos láser. Medida de la reflectancia de las plantas para determinar el contenido de clorofila, la cual está estrechamente relacionada con la concentración de nitrógeno en la hoja.
- Método no destructivo y sin contacto, preciso, estable.
Topcon: Agricultura de precision: http://ag.topconpositioning.com/es/cropspec
Ejemplo: Sensor de superficies de cultivo sobre la marcha: CropSpecEjemplo: Sensor de superficies de cultivo sobre la marcha: CropSpec
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Beneficios:• Monitorear la descarga de granos.• Controlar niveles de tolva.• Verificar posibles incendios en la zona del motor de la cosechadora.• Chequear el correcto desempeño de los esparcidores.• Determinar i existe atascamiento con rastrojo en algún cuerpo de
siembra.• Mejorar la visibilidad en modo transporte de todas las máquinas .
Sistema de cámaras para maquinaria agrícola:
Mobile Vision Systems
Sistema de cámaras para maquinaria agrícola:
Mobile Vision Systems
12/11/2014
Flintec supplies a range of high accuracy bending beam weighing bars for agricultural machines..Kinze: Sistema Autónomo para la cosecha
• Sensores de fuerza integrados fácilmente para el control de máquinas de balas (pacas).
• Sensores de infrarojo para contar las semillas que pasan por los tubos.
• Uso de sensores ópticos de distintas longitudes de onda para determinar la salud de las semillas
Ejemplo: Sensores de fuerza, Galgas extensométricas para el
pesaje automático
Ejemplo: Sensores de fuerza, Galgas extensométricas para el
pesaje automático
12/11/2014
http://www.forbes.com/sites/jenniferhicks/2012/08/06/intelligent-sensing-agriculture-robots-to-harvest-crops/
• Robot capaz de detectar la fruta, sensar su grado de madurez, y en función de ello se recolecta suavemente.
• CCROPS: desarrolla técnicas para la detección y clasificación de obstáculos y otros objetos para la navegación autónoma con éxito entre plantaciones y bosques.
http://edepot.wur.nl/11221Harvest Automation, based in Boston, MA
Ejemplo: Proyecto CCROPS.Robots automáticos para la recolecta de granos, semillas, etc…
Ejemplo: Proyecto CCROPS.Robots automáticos para la recolecta de granos, semillas, etc…
12/11/2014
Robots del futuro: DronesRobots del futuro: Drones
Visualización automática Actuación planta a planta….
From T. Dobbs
12/11/2014
WSN para agricultura de precisión: • Energy harvesting:
• Piezoeléctrico• Solar• Baterías
Ejemplo: Redes de Sensores Inalámbricas con sistemas de
harvesting
Ejemplo: Redes de Sensores Inalámbricas con sistemas de
harvesting
libellius
12/11/2014
• Evalua condiciones de crecimiento de patógenos.• Ayuda a realizar efetivamente tratamientos químicos• Mide datos medioambientales directamente en la
viña(temperatura aire/humedad relativa, humedad de las
hojas, lluvia acumulada).• Interfase vía desktop, notebook, smart phone o
tablet.
Ejemplo: Agrisense, Vinesense
Agricultura y Viticultura de Precisión
Ejemplo: Agrisense, Vinesense
Agricultura y Viticultura de Precisión
Netsens, italia
12/11/2014 Brussels, IST meeting May 30th 2006
Arquitectura SistemaSystem System SpecificationsSpecifications
12/11/2014
WSN Linea Piloto
Case Study: Lluvia intensa de Otoño
Soil Moisture Trend @ different depths in different weather conditions
10 c
m30
cm
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Resumen Agregado: Correlación de SensoresEjemplo en un invernadero
Irrigación Plantas (from soil moisture sensors)
Crecimiento Plantas (from diametric growth sensors)
Respiración Plantas (from leaf temperature sensors)
Condiciones Medioambientales
presión de vapor (from air temp/hunidity sensors)
12/11/2014 Brussels, IST meeting May 30th 2006
Una applicación escalable:
La viña inteligente
Mejorando la calidad de la producción y
reduciendo el impacto ambiental
Dominio de la Tecnología de Microsensores
microzonación
Mapear la viña a:
- Escala espacio/tiempo
- 15-mesesde operación sin atención ‘ install & forget’
Mapear la viña a:
- Escala espacio/tiempo
- 15-mesesde operación sin atención ‘ install & forget’
Gestión específica del campo:
Niveles automáticos de ajuste de los niveles de
irrigación, y aplicación de pesticidas
Gestión específica del campo:
Niveles automáticos de ajuste de los niveles de
irrigación, y aplicación de pesticidas
12/11/2014
Conclusiones� Aumento de la preocupación en seguridad y calidad a groalimentaria .
� Interés en mejorar los procesos de producción
� Es útil tanto las apliaciones botom-up como las top -down.
� Las Nanotecnologías son interesantes en la medida e n que permiten mejorar las especificaciones del sensor/si stema.
In many new technologies, it is common to overestimate what can be done in 5 years time and understimate what can be done in 50 years time
The economist, Dec 5,2002
ConclusionesConclusiones
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Nano, Sensores, Agricultura y Alimentos: Multidisciplinariedad
… (todavía no hemos llegado a todas las soluciones).
Física, Fotónica
Química
Biología
Nano, ICT
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Food Safety and Quality monitoring with Microsystems
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GoodFood: Objectives
Bringing the lab to the foodstuff…
Intelligent Agriculture…
Improving the production process…
Bringing the lab to the foodstuff…
Intelligent Agriculture…
Improving the production process…
Sensing Scenarios:•Detection of
Chem. SubstancesBiolog. Substances
•Short Shelf-life time•Long Storage time
•AmI Paradigm
Sensing Scenarios:•Detection of
Chem. SubstancesBiolog. Substances
•Short Shelf-life time•Long Storage time
•AmI Paradigm
Main Food Targets:•Milk & dairy products•Fruit, juices & wine•Fish
Main Food Targets:•Milk & dairy products•Fruit, juices & wine•Fish
GoodFood
Issues Covered:•Solids/liquids•Raw and derivates•Perishable/climacteric•Massive products•High economical impact
Issues Covered:•Solids/liquids•Raw and derivates•Perishable/climacteric•Massive products•High economical impact
GoodFood
Ip-based Comm
Air and earth temperatureAir and earth humidity
Wind directionLeafs parameters
others RadioComm
Ip-based Comm
s RadioComm
R+D on materials, devices, systems and networks
Ejemplo. Detección de contaminación química: antibióticos
S yn ch roC a m era
L ase r
O p tics
C h ip
F lu id ic ce ll
m ag net m a g n et
sil ico n
C olle ctio n cha m b er
Se pa ra tio n an d de t ec tio n cha m b er
w a ve gu ide
Instrumentation and Comunication
Sensing layer
Sistema microfluídico
con partículas magnéticas
Det. por fluorescencia. Acoplado de la luz por guía de onda y gratings
Micro-cámara con píxeles lock-in
Inmunoensayos con anticuerpos
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Muestra
Preparación
Enriquecimiento
Extracción DNA
Amplificación DNA
(PCR)
Bio
logí
a m
ole
cula
r:
Sim
plif
icar
, agi
lizar
Hibridación DNA
Microelectrodos: paralelismo: redundancia, multiensayo
PCB chips
Detección n/óptica
Impedancia, Voltaje,
Tecnología sensora
Microfluídica
Inmobilización
Instrumentación
Sensor DNA
Ejemplo. Detección de contaminación biológica: patógenos
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Ejemplo: Calidad en alimentos:líquidos y gases/aromas
Carrier
Guard Column
Separation column
Sample
Microseparationmodule with on-chip microelectrodes
Functionalized sensors module
Electronics for signal conditioning
Waste
Microelectrodes
Delivering and filtering module
Cant.Array
MOXArray
Pum p2GCC2
Filter
Pump1GCC1
Filter1
SamplingHead
SensorInterface
MOX
SensorInterface
Ca nt
GC SystemDriver
ElectronicController
PC
2
V2
V1
MMGCSSistema Multisensor Miniaturizado basado en Cromatografía de
Gases
MMLCS Sistema Multisensor
Miniaturizado basado en Cromatografía de Líquidos
&
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FITEC. Jornadas de Transferencia Tecnológica. ALIMENTARIA. Barcelona,
Marzo 2006
FlexibleTag
AMINodeAMI
Node
Reader
Reader
RFID
Communication Wired
Connection to AMI
NH3C2H4
Conditioning Electronics
µPEEPROMEEPROM
CommunicationInterface
+ _
Temperature
Humidity
Ejemplo: Log ística, substrato flexible
Temperature sensor
Connections by wire bonding
Micro hotplate
Cu tracks
Kapton sheet
Temperature sensor
Connections by wire bonding
Micro hotplate
Cu tracks
Kapton sheet
Temperature sensor
Connections by wire bonding
Micro hotplate
Cu tracks
Kapton sheet
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Microsystems in Agrofood and Environment: Devices
• Microbiological and Chemical contamination:
� Biosensors:� Immunosensors: chemicals� DNA sensors: living organisms� Microfluidics� Optics: Color, Shape, Size,..
� Liquid Chemical Sensors: � Ions: pH, Na. Cl, ….� Heavy metals
� Gas Sensors: Flow, Composition (volatiles, CO, CO2, NOx,….)
� Physical Sensors: Stress, Force, Temperature
� Optical Sensors: color, size, shape,…� Virtual Sensors:� Multisensing and Autonomous
Systems:
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Microsystems in Agrofood and Environment: Systems
• Logistics:
– Transport– Temperature , humidity, …
– Storage– Humidity, temperature, volatile emissions
• Traceability (origin and anti-fraud)– Chemical Composition, Isotopes,…
• Production Process:
– Control: Safety, quality, environment conditions
– Process Improvement:
• Ambient Intelligence :
– Communications, Data Bases
– Intelligence, Autonomy
Cant.Array
MOXArray
Pum p2GCC2
Filter
Pump1GCC1
Filter1
SamplingHead
SensorInterface
MOX
SensorInterface
Ca nt
GC SystemDriver
ElectronicController
PC
2
V2
V1
Ip-based Comm
Air and earth temperatureAir and earth humidity
Wind directionLeafs parameters
others RadioComm
Ip-based Comm
Air and earth temperatureAir and earth humidity
Wind directionLeafs parameters
others RadioComm