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1. WO2020111927 - BUOY FOR THE REAL-TIME MONITORING OF THE ENVIRONMENTAL CONDITIONS OF AQUACULTURE PONDS

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[ ES ]

BOYA PARA SEGUIMIENTO EN TIEMPO REAL DE CONDICIONES

MEDIOAMBIENTALES DE ESTANQUES ACUÍCOLAS

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a una boya para el seguimiento en tiempo real de las condiciones medioambientales de un estanque acuicola y más particularmente, la presente invención proporciona una novedosa boya autónoma para el muestreo en tiempo real de las variables fisicoquímicas del agua de estanques acuícolas, con medios para el despliegue de un cabezal con sensores de detección que permite muestrear el estanque a distintos niveles de profundidad sin que se sumerja el cuerpo principal de la boya y que además cuenta con medios para el desplazamiento autónomo de la boya y para el trazado de ruta sin necesidad de programación posterior de la boya o intervención humana.

Antecedentes de la Invención

Los cultivos acuícolas requieren de ciertas condiciones ambientales para su óptimo crecimiento. Los parámetros más importantes que se deben considerar para el correcto desarrollo del cultivo son temperatura, salinidad, pH, turbidez, nitratos y oxígeno disuelto, entre otros. Algunos de éstos, como la temperatura y el oxígeno disuelto, pueden presentar grandes variaciones dentro de un mismo día, poniendo en riesgo al cultivo de presentar alguna enfermedad .

Cuando estos parámetros no se encuentran en su nivel óptimo pueden propiciar la proliferación de patógenos en el agua, además de estrés en los organismos cultivados, lo cual conlleva a infecciones y enfermedades en ellos. En estas condiciones ambientales, es cuestión de segundos para que un organismo sea infectado por algún patógeno.

Actualmente, los acuicultores utilizan sensores unitarios y en algunos casos sensores multiparámetros, para realizar mediciones de estos parámetros en sus estanques. Las mediciones las realizan de 2 a 3 veces al día por cada estanque que tienen en su granja, lo cual les puede representar un esfuerzo y una inversión de tiempo considerable .

Debido a que las mediciones se realizan tan solo algunas veces durante el día, existe un espacio de tiempo entre mediciones, de varias horas, que posibilita el cambio en el nivel de algún parámetro del agua, la consiguiente infección de los organismos y su posible mortandad. En el documento "Síndrome de la Mortalidad Temprana (EMS/AHPNS) en camarones cultivados: Una revisión" de Varela y Peña, publicado en Research Gate en el 2014, se mencionan pérdidas del 65% de la producción debido a enfermedades que afectan a los organismos cultivados y, en algunos casos, del 100%. Además, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación, más conocida como FAO indica pérdidas de más de 6 mil millones de dólares anuales en la industria de la acuicultura, debido a enfermedades que afectan a los cultivos .

Debido al alto riesgo que corre un cultivo cuando alguno de los parámetros del agua no se encuentra en su rango óptimo, es necesario que el acuicultor pueda monitorear la calidad del agua de cada uno de sus estanques, en todo momento y desde cualquier lugar. Por ello los acuicultores se han visto en la necesidad de utilizar medios mas complejos para la toma y lectura de muestras que les permitan tener un mejor control de las variables medioambientales de sus estanques; sin embargo, el uso de equipos mas complejos y con un mayor número de sensores no solo incrementa la logística necesaria para la instalación de las redes de comunicación requeridas para poner en contacto cada uno de los sensores con las estaciones de monitoreo, sino que al mismo tiempo limita seriamente el área de muestreo ya que se revierte una estación de monitoreo cada pocos metros para poder seguir en tiempo real el comportamiento del cuerpo de agua.

Con el fin de resolver estos problemas, a lo largo de los últimos años se han diseñado diversos equipos automatizados, para la toma de mediciones en cuerpos de agua superficiales que usan una única estación de monitoreo desplazable que cuentan con medios para el envío de datos a distancia. Para lograr esto los equipos de muestreo se valen de módulos de trasmisión inalámbrica y de mecanismos de autopropulsión . Ejemplos de este tipo de equipos se describen en la solicitud de patente US20150323514A1 en la que esta revelado un sistema para la detección en tiempo real de parámetros físicos y químicos del agua, que está diseñado para predecir la carga de bacterias presentes. Para ello, el sistema usa una serie de sensores que detectan por ejemplo velocidad del viento, radiación fotosintéticamente activa, temperatura del aire, humedad, temperatura del agua, presión barométrica, salinidad, conductividad y turbidez; los cuales son usados para determinar la carga bacteriana del cuerpo de agua a través de un modelo predictivo. Sin embargo, el desarrollo descrito debe usar una pluralidad de boyas a la deriva para poder obtener los datos necesarios para hacer funcionar el modelo predictivo, lo que limita le eficacia del sistema ya que no se pueden tomar mediciones por debajo de la línea de flotación de las boyas ni hacer muéstreos en otras zonas de los estanques, lo que limita seriamente al sistema.

La solicitud de patente US20150346726A1, describe una boya autónoma que cuenta con medios para la trasmisión inalámbrica de datos y un sistema de propulsión que le permite desplazamientos controlados. Asimismo, la boya mostrada tiene un sistema de regulación de flotabilidad y cuanta con sensores para la captura de variables físicas y químicas del cuerpo de agua en la que se coloca. Sin embargo, la boya mostrada tiene serias limitantes de diseño ya que usa un sistema de propulsión de tipo medusa, que requiere de la deformación de sus paredes, lo que limita seriamente el control de rumbo que no es exacto, quedando por lo tanto la boya a la deriva en caso de encontrase con corrientes. Además el sistema de control de flotabilidad, requiere uso de compresores y fluidos, por lo que el cuerpo principal tiene que descender dentro del cuerpo de agua, lo que limita la autonomía del sistema ya que de descender demasiado se corta la trasmisión de comunicaciones dejando a la boya inhabilitada para la trasmisión de los datos recolectados .

La solicitud de patente CN107162211A describe una boya para remediación de cuerpos de agua, que cuenta con un compartimiento para el almacenado de bacterias, con medios para la descarga controlada de las bacterias a los cuerpos de agua. La boya descrita cuenta con sensores que permiten la captura en tiempo real de las condiciones físicas y químicas del agua, además de contar con medios para la determinación de densidad de microrganismos . Asimismo, muestra que la boya tiene un sistema de autopropulsión y una serie de sensores que le permiten llevar a cabo un recorrido autónomo en los cuerpos de agua. Sin embargo, la boya mostrada tiene una distancia de inserción de los sensores fija por lo que el muestreo se lleva a cabo únicamente en la capa superficial del cuerpo de agua, además debido a su construcción, las paletas de las hélices se encentran cerca de la entrada de los sensores por lo que se generan turbulencias que pueden afectar las lecturas.

Ninguno de los equipos de muestreo descritos con anterioridad, permite el muestreo en tiempo real de los parámetros del agua a distintos niveles de profundidad ya que para ello deben sumergirse dentro del cuerpo de agua por lo que se pierde la conexión con las estaciones remotas de muestreo, dejando a la boya silenciada durante la toma de muestras. Más aún, las boyas disponibles no cuentan con medios para el control autónomo de ruta, ya que para ello requieren de sistemas de posicionamiento conectados a estaciones de referencia o de una programación previa del equipo, por lo que en caso de desconexión pierden la capacidad de desplazamiento quedando a la deriva.

En vista de lo anterior, existe la necesidad de proporcionar una boya autónoma para el monitoreo en tiempo real de parámetros de control de cuerpos de agua, que no requiera de la inmersión de su cuerpo principal para la toma de muestras a distintos niveles de profundidad, evitando con ello el silenciado de las señales trasmitidas. Asimismo, existe la necesidad de proporcionar una boya completamente autónoma que no requiera de intervención humana o control a distancia para recorrer el cuerpo de agua que se está monitoreando y que no requieran de la conexión remota a medios de posicionamiento para mantenerse en movimiento.

Sumario de la Invención

Con el fin de superar las limitantes de los equipos para el muestreo de variables medioambientales en cuerpos de agua, la presente invención tiene por objetivo proporcionar una novedosa boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas con medios para el despliegue de un cabezal de sensores que puede variar su distancia de inserción para variar la profundidad de muestreo de la boya.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una novedosa boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas, con medios para el desplazamiento automático de la boya a través de estanques artificiales, que controlan la trayectoria de la boya sin una programación posterior y sin necesidad de intervención humana.

Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar una novedosa boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas con medios para la trasmisión remota de los datos recolectados hacia estaciones remotas de consulta, para el tratamiento estadístico de los datos.

Otro objetivo más de la presente invención es proporcionar una novedosa boya que pueda detectar la presencia de microorganismos en el agua, y que además cuente con dispositivos para la generación de alertas en caso de que los valores de los parámetros muestreados se salgan de un umbral preestablecido.

Los objetivos antes citados, asi como otros y las ventajas de la presente invención, vendrán a ser aparentes de la siguiente descripción detallada de la misma.

Descripción de las Figuras de la Invención

La Figura 1, muestra una vista superior de la boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas de la presente invención.

La Figura 2, muestra una vista inferior de la boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas de la presente invención.

La figura 3, muestra una vista frontal de la boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas de la presente invención, en la posición desplegada a) y retraída b) .

La figura 4, muestra una vista superior de la boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas de la presente invención, en la que se muestra el interior del cuerpo principal.

La figura 5, muestra una vista del cabezal de sensores de la boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas de la presente invención, en la que se observan sus componentes interiores .

Descripción Detallada de la Invención

La presente invención proporciona una novedosa boya para seguimiento en tiempo real de condiciones medioambientales de estanques acuicolas, que puede realizar un control en tiempo real de los cambios fisicoquimicos del agua mediante la toma de lecturas en espacios temporales predefinidos y a distintas profundidades de muestreo sin que para ello es necesario sumergir el cuerpo principal de la boya. Además, la boya de la presente invención puede realizar el muestreo del estanque acuicola sin que sea necesaria ningún tipo de programación posterior del equipo, ya que la boya tiene medios para su desplazamiento autónomo y para el control de ruta, que guian a la boya a través del cuerpo de agua para que no choque con las paredes del estanque sin necesidad de intervención humana o una programación previa de la ruta o plan de muestreo a seguir, de tal forma que la boya determina por si misma el mejor trazado a seguir para cuantificar cada uno de los parámetros fisicoquimicos del estanque.

Para lograr lo anterior, la boya de la presente invención, está conformado por:

• un cuerpo principal (1), preferentemente de forma triangular, que comprende: un mecanismo de desplazamiento conformado por al menos un servomotor de desplazamiento (2) acoplado a un eje de trasmisión de potencia (3) , que sobresale a través de la parte posterior del cuerpo principal (1), teniendo dicho eje una hélice (4) para el desplazamiento de la boya; un servomotor de tracción (5) acoplado a una trasmisión de engranajes (6) que se conecta a un eje de tracción (7) ubicado sobre un penetrador (8); un microcontrolador (9), que controla la alimentación de los servomotores de desplazamiento (2) y de tracción (5), mediante el corte de corriente o el cambio de conexión, estando el microcontrolador (9) adaptado para controlar al servomotor de desplazamiento (2) usando las señales de proximidad procedentes de al menos un sensor de proximidad (10), siendo dicho al menos un sensor de proximidad (10) preferentemente un sensor de tipo ultrasónico sumergible que está ubicado en la parte frontal del cuerpo principal (1), para evitar colisiones con las paredes del estanque comparando las señales de proximidad con un valor de proximidad previamente almacenado en el microcontrolador (9) y, para seleccionar el sentido de la dirección de giro y el tiempo de encendido del servomotor de tracción (5) tomando en cuenta ventanas de tiempo programables y; un batería (11), conectada al microcontrolador (9), que suministra energía a los servomotores de desplazamiento (2) y de tracción (5), que esta alimentada por al menos un panel solar (12) ubicado en la parte superior del cuerpo principal ( 1 ) ;

• un compartimiento inferior (13) de forma cilindrica, que tiene: una pluralidad de orificios (14) practicados a lo largo su perímetro inferior y sobre su superficie inferior; un penetrador (15) que sobresale de la superficie superior del compartimiento inferior (13) y; una pluralidad de sensores (16) , ubicados al interior del compartimiento inferior (13), cada uno de los cuales tiene un cable de trasmisión de datos que discurre a través del penetrador (15) y a lo largo de una tubería flexible (17) cuyo extremo libre es recibido en el penetrador (8) del cuerpo principal (1), estando los cables de trasmisión de datos recibidos en el eje de tracción (7) y conectados al microcontrolador (9), de tal manera que al hacer girar el servomotor de tracción (5) , se controla la distancia que separa al compartimento inferior (13) del cuerpo principal (1), mediante la tracción o liberación de los cables de trasmisión de datos para realizar muéstreos a diferentes niveles de profundidad del estanque y;

• un puerto de trasmisión inalámbrica (18) , preferentemente un módulo GSM/GPRS Quad-Band, conectado al microcontrolador (9), que recibe las señales filtradas por el microcontrolador (9) de cada uno de la pluralidad de sensores (16), para su envió a una estación de procesamiento remota, incluyendo dichas señales un identificador único con información referente al tiempo, profundidad y sitio de muestreo, de manera que al ser recibidas por la estación de procesamiento remota se pueden generar informes históricos con el comportamiento de las variables medidas.

La boya antes descrita, puede, por lo tanto, desplazarse sobre toda el área de un estanque acuícola tomando mediciones constantes de los parámetros de calidad del agua a diferentes profundidades sin que para ello medie ningún tipo de intervención externa, tomando las mediciones a distintos niveles de profundidad de forma automática, de tal manera que ningún área del estanque quede sin monitorear. Lo anterior, resulta sumamente ventajoso ya que al permitir la toma de múltiples muestras en distintos puntos del estanque se puede tener un panorama mucho mas objetivo de la presencia de eventos de alerta que requieran de la intervención del acuicultor para su control. Además, debido a que el cuerpo principal (1) de la boya siempre se mantiene a nivel de superficie, es posible enviar los datos sin interferencias y mantener los paneles solares a nivel de captación durante todo el tiempo, superando las desventajas de las boyas de inmersión las cuales pierden comunicación al sumergirse y deben de pasar a alimentación secundaria para mantenerse operativas. Más aún, al estar colocados las sondas de medición en un compartimiento externo al cuerpo principal (1) de la boya, se evitan ruidos en las mediciones causados por interferencias provenientes de los servomotores o del puerto de trasmisión inalámbrica (18) , lo que garantiza una toma de mediciones mucho más exacta y que puede ser llevada a cabo a diferentes profundidades sin perder potencia de trasmisión. A esto se le suma la ventaja inherente de mejorar la estanqueidad de la boya, mejorando la vida útil del equipo, con lo que al mismo tiempo se mejora el flujo de agua a los sensores debido a que no existen limitaciones en las entradas de flujo causadas por otros componentes.

En una modalidad de la presente invención, el cuerpo principal (1) comprende una pluralidad de sensores de proximidad (10), que se usan para determinar la ubicación espacial de la boya en el estanque, por medio de telemetría. En esta modalidad cada uno de los sensores de proximidad (10) envía la distancia capturada hacia el microcontrolador (9), para generar un mapa vectorial con la ubicación espacial de la boya, que es enviado a través del puerto de trasmisión inalámbrica (18) hacia la estación de procesamiento remota para proporcionar la ubicación espacial en tiempo real de la boya. Asimismo, al menos uno de los sensores (10) se ubica dentro del compartimiento inferior (13) para proporcionar información que permite determinar la profundidad de dicho compartimiento, respecto al fondo del estanque.

En una modalidad preferida de la presente invención, la pluralidad de sensores (16) comprenden una sonda de pH preferentemente de membrana de vidrio; un electrodo selectivo de ion nitrato (ISE) ; una sonda de conductividad eléctrica (EC) ; una sonda galvánica de oxigeno preferentemente de membrana de polietileno o de teflón; una sonda de turbidez preferentemente de transmitancia y; un termómetro digital preferentemente un sensor DS18B20.

En una modalidad específica de la presente invención, la boya comprende dos servomotores de desplazamiento (2), que están conectados cada uno a un eje de trasmisión de potencia (3) con hélices (4) independientes entre sí, colocados de forma simétrica cerca de los extremos de la parte posterior del cuerpo principal (1), de tal manera que se controla el rumbo de la boya activando o desactivando de manera coordinada dichos dos servomotores de desplazamiento (2) para permitir giros cerrados o desplazamiento en arco abierto .

En una modalidad más de la presente invención, la boya utiliza las lecturas de las sondas de pH y de conductividad eléctrica (EC) , así como los valores de temperatura del termómetro digital, para generar un estimado de la cantidad de microrganismos presentes en el cuerpo de agua, por ejemplo para la cuantificación de Vibrio sp. se almacenan por un usuario, en un medio de cuantificación acoplado al microcontrolador (9), un valor de la densidad inicial (Y) de dicho microrganismo y un valor de temperatura inicial (tO), de una muestra del cuerpo de agua a monitorear, de tal manera que dicho medio de cuantificación, para determinar la densidad de Vibrio sp., calcula el crecimiento poblacional ajustando el valor conforme varia la temperatura, e ingresa el efecto de la salinidad y pH sobre el crecimiento del microorganismo, para ajustar la curva de crecimiento conforme se van modificando dichos parámetros (pH, salinidad, temperatura) . Con los ajustes realizados, dicho medio de cuantificación genera un valor de densidad bacteriana que es enviado a través del puerto de trasmisión inalámbrica (18), junto con los demás valores capturados, permitiendo un seguimiento en tiempo real del crecimiento de bacterias patógenas en el cuerpo de agua monitoreado .

La presente invención se ha descrito de acuerdo con una modalidad preferida; sin embargo, será aparente para un técnico con conocimientos medios en la materia, que podrán hacerse modificaciones a la invención, sin apartarse de su espíritu y alcance.