Supervisión multidistribuida de transportes refrigerados mediante tecnología inalámbrica: diagrama de fases una nueva metodología de análisis.

El estudio de los gradientes de temperatura en cámaras frigoríficas y contenedores es un problema crítico en la industria alimentaria para el aseguramiento de la calidad de los productos durante el transporte, así como para minimizar las pérdidas. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una nueva metodología de análisis de datos basada en la reconstrucción del espacio de fases de la serie temporal de temperaturas, registradas por una red multidistribuida de sensores inalámbricos autónomos y de bajo coste. Se monitorizó un transporte transoceánico en barco de limones en un contenedor multimodal refrigerado, desde Montevideo (Uruguay) a Cartagena (España), utilizando una red de 39 tarjetas RFID semi-pasivas TurboTag ®. El viaje completo incluyó el transporte transoceánico de larga distancia, un cambio de buque para un segundo transporte en barco de corta distancia y finalmente un viaje en camión hasta la central. El análisis de datos se basó en un estudio cualitativo de las series temporales mediante la representación de diagramas de fases calculados sobre la teoría de reconstrucción de atractores de Takens-Ruelle. El estrés de la fruta se cuantificó en términos del área que sobre el diagrama de fases ocupó el ciclo o atractor de la temperatura. Esta nueva metodología para el análisis de los datos pone de relieve la significativa heterogeneidad de las condiciones térmicas en diferentes puntos del contenedor.

Advanced characterization of a coffee fermenting tank by multi-distributed wireless sensors: spatial interpolation and phase diagrams.

In coffee processing the fermentation stage is considered one of the critical operations by its impact on the final quality of the product. However, the level of control of the fermentation process on each farm is often not adequate; the use of sensorics for controlling coffee fermentation is not common. The objective of this work is to characterize the fermentation temperature in a fermentation tank by applying spatial interpolation and a new methodology of data analysis based on phase space diagrams of temperature data, collected by means of multi-distributed, low cost and autonomous wireless sensors. A real coffee fermentation was supervised in the Cauca region (Colombia) with a network of 24 semi-passive TurboTag RFID temperature loggers with vacuum plastic cover, submerged directly in the fermenting mass. Temporal evolution and spatial distribution of temperature is described in terms of the phase diagram areas which characterizes the cyclic behaviour of temperature and highlights the significant heterogeneity of thermal conditions at different locations in the tank where the average temperature of the fermentation was 21.2 °C, although there were temperature ranges of 4.6°C, and average spatial standard deviation of ±1.21ºC. In the upper part of the tank we found high heterogeneity of temperatures, the higher temperatures and therefore the higher fermentation rates. While at the bottom, it has been computed an area in the phase diagram practically half of the area occupied by the sensors of the upper tank, therefore this location showed higher temperature homogeneity

Advanced Characterisation of a Coffee Fermenting Tank by Multi-distributed Wireless Sensors: Spatial Interpolation and Phase Space Graphs

The fermentation stage is considered to be one of the critical steps in coffee processing due to its impact on the final quality of the product. The objective of this work is to characterise the temperature gradients in a fermentation tank by multi-distributed, low-cost and autonomous wireless sensors (23 semi-passive TurboTag® radio-frequency identifier (RFID) temperature loggers). Spatial interpolation in polar coordinates and an innovative methodology based on phase space diagrams are used. A real coffee fermentation process was supervised in the Cauca region (Colombia) with sensors submerged directly in the fermenting mass, leading to a 4.6 °C temperature range within the fermentation process. Spatial interpolation shows a maximum instant radial temperature gradient of 0.1 °C/cm from the centre to the perimeter of the tank and a vertical temperature gradient of 0.25 °C/cm for sensors with equal polar coordinates. The combination of spatial interpolation and phase space graphs consistently enables the identification of five local behaviours during fermentation (hot and cold spots).

Multi-distributed wireless sensors for monitoring a long distance transport in a reefer container

The study of the temperature gradients in cold stores and containers is a critical issue in the food industry for the quality assurance of products during transport and for minimising losses. This work presents an analysis of the temperatures during the refrigerated transport of 4,320 kg of blueberries in a reefer (set point temperature at ?1ºC) on a container ship from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). The monitoring was performed by using semi-passive RFID loggers (TurboTag cards). The objective was to carry out a multi-distributed supervision using low-cost, wireless and autonomous sensors for the characterisation of the distribution and spatial gradients of temperatures during a long distance transport. Data analysis shows spatial (phase space) and temporal sequencing diagrams and reveals a significant heterogeneity of temperature at different locations in the container, which highlights the ineffectiveness of a temperature control system based on a single sensor, as is usually done.

Supervisión multidistribuida para el control de procesos de conservación de productos agroalimentarios: optimización de calidad del producto

La presente Tesis está orientada al análisis de la supervisión multidistribuida de tres procesos agroalimentarios: el secado solar, el transporte refrigerado y la fermentación de café, a través de la información obtenida de diferentes dispositivos de adquisición de datos, que incorporan sensores, así como el desarrollo de metodologías de análisis de series temporales, modelos y herramientas de control de procesos para la ayuda a la toma de decisiones en las operaciones de estos entornos. En esta tesis se han utilizado: tarjetas RFID (TemTrip®) con sistema de comunicación por radiofrecuencia y sensor de temperatura; el registrador (i-Button®), con sensor integrado de temperatura y humedad relativa y un tercer prototipo empresarial, módulo de comunicación inalámbrico Nlaza, que integra un sensor de temperatura y humedad relativa Sensirion®. Estos dispositivos se han empleado en la conformación de redes multidistribuidas de sensores para la supervisión de: A) Transportes de producto hortofrutícola realizados en condiciones comerciales reales, que son: dos transportes terrestre de producto de IV gama desde Murcia a Madrid; transporte multimodal (barco-barco) de limones desde Montevideo (Uruguay) a Cartagena (España) y transporte multimodal (barco-camión) desde Montevideo (Uruguay) a Verona (Italia). B) dos fermentaciones de café realizadas en Popayán (Colombia) en un beneficiadero. Estas redes han permitido registrar la dinámica espacio-temporal de temperaturas y humedad relativa de los procesos estudiados. En estos procesos de transporte refrigerado y fermentación la aplicación de herramientas de visualización de datos y análisis de conglomerados, han permitido identificar grupos de sensores que presentan patrones análogos de sus series temporales, caracterizando así zonas con dinámicas similares y significativamente diferentes del resto y permitiendo definir redes de sensores de menor densidad cubriendo las diferentes zonas identificadas. Las metodologías de análisis complejo de las series espacio-temporales (modelos psicrométricos, espacio de fases bidimensional e interpolaciones espaciales) permitieron la cuantificación de la variabilidad del proceso supervisado tanto desde el punto de vista dinámico como espacial así como la identificación de eventos. Constituyendo así herramientas adicionales de ayuda a la toma de decisiones en el control de los procesos. Siendo especialmente novedosa la aplicación de la representación bidimensional de los espacios de fases en el estudio de las series espacio-temporales de variables ambientales en aplicaciones agroalimentarias, aproximación que no se había realizado hasta el momento. En esta tesis también se ha querido mostrar el potencial de un sistema de control basado en el conocimiento experto como es el sistema de lógica difusa. Se han desarrollado en primer lugar, los modelos de estimación del contenido en humedad y las reglas semánticas que dirigen el proceso de control, el mejor modelo se ha seleccionado mediante un ensayo de secado realizado sobre bolas de hidrogel como modelo alimentario y finalmente el modelo se ha validado mediante un ensayo en el que se deshidrataban láminas de zanahoria. Los resultados sugirieron que el sistema de control desarrollado, es capaz de hacer frente a dificultades como las variaciones de temperatura día y noche, consiguiendo un producto con buenas características de calidad comparables a las conseguidas sin aplicar ningún control sobre la operación y disminuyendo así el consumo energético en un 98% con respecto al mismo proceso sin control. La instrumentación y las metodologías de análisis de datos implementadas en esta Tesis se han mostrado suficientemente versátiles y transversales para ser aplicadas a diversos procesos agroalimentarios en los que la temperatura y la humedad relativa sean criterios de control en dichos procesos, teniendo una aplicabilidad directa en el sector industrial ABSTRACT This thesis is focused on the analysis of multi-distributed supervision of three agri-food processes: solar drying, refrigerated transport and coffee fermentation, through the information obtained from different data acquisition devices with incorporated sensors, as well as the development of methodologies for analyzing temporary series, models and tools to control processes in order to help in the decision making in the operations within these environments. For this thesis the following has been used: RFID tags (TemTrip®) with a Radiofrequency ID communication system and a temperature sensor; the recorder (i-Button®), with an integrated temperature and relative humidity and a third corporate prototype, a wireless communication module Nlaza, which has an integrated temperature and relative humidity sensor, Sensirion®. These devices have been used in creating three multi-distributed networks of sensors for monitoring: A) Transport of fruits and vegetables made in real commercial conditions, which are: two land trips of IV range products from Murcia to Madrid; multimodal transport (ship - ship) of lemons from Montevideo (Uruguay) to Cartagena (Spain) and multimodal transport (ship - truck) from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). B) Two coffee fermentations made in Popayan (Colombia) in a coffee processing plant. These networks have allowed recording the time space dynamics of temperatures and relative humidity of the processed under study. Within these refrigerated transport and fermentation processes, the application of data display and cluster analysis tools have allowed identifying sensor groups showing analogical patterns of their temporary series; thus, featuring areas with similar and significantly different dynamics from the others and enabling the definition of lower density sensor networks covering the different identified areas. The complex analysis methodologies of the time space series (psychrometric models, bi-dimensional phase space and spatial interpolation) allowed quantifying the process variability of the supervised process both from the dynamic and spatial points of view; as well as the identification of events. Thus, building additional tools to aid decision-making on process control brought the innovative application of the bi-dimensional representation of phase spaces in the study of time-space series of environmental variables in agri-food applications, an approach that had not been taken before. This thesis also wanted to show the potential of a control system based on specialized knowledge such as the fuzzy logic system. Firstly, moisture content estimation models and semantic rules directing the control process have been developed, the best model has been selected by an drying assay performed on hydrogel beads as food model; and finally the model has been validated through an assay in which carrot sheets were dehydrated. The results suggested that the control system developed is able to cope with difficulties such as changes in temperature daytime and nighttime, getting a product with good quality features comparable to those features achieved without applying any control over the operation and thus decreasing consumption energy by 98% compared to the same uncontrolled process. Instrumentation and data analysis methodologies implemented in this thesis have proved sufficiently versatile and cross-cutting to apply to several agri-food processes in which the temperature and relative humidity are the control criteria in those processes, having a direct effect on the industry sector.

Lector automático de ingredientes de productos alimenticios

Obtener la información deseada de la lista de ingredientes de un producto alimenticio no siempre es fácil. Muchas personas necesitan obtener datos muy concretos de una lista de ingredientes y en un tiempo razonable para poder decidir si ese producto es apto para su dieta. Personas con alergias, intolerancias, celíacos, diabéticos, vegetarianos o que sigan cualquier otro tipo de dieta o normativa como por ejemplo la normativa islámica (alimentos Halal) necesitan saber exactamente qué contiene lo que se van a comer. Además existe el problema del idioma, algunos productos de importación no tienen la lista de ingredientes traducida correctamente, suelen llevar una pegatina con los ingredientes en el idioma del país y ésta, cuando existe, no siempre tiene la información exacta. El problema del idioma se presenta también cuando estamos de viaje o viviendo en un país en el que no dominamos el idioma. Y por último también existen a menudo problemas físicos para leer los ingredientes. En la mayoría de los casos el tipo de letra es demasiado pequeño y en muchos la combinación de colores usada hace que la lectura sea difícil. Si además el consumidor tiene algún problema de visión la lectura de la lista de ingredientes se vuelve muy complicada o imposible. Por tanto, no siempre podemos llegar a la conclusión de si se puede o no consumir un producto por su lista de ingredientes. Para poder leer una lista de ingredientes sin importar donde nos encontremos o el idioma y el modo en que esté escrita, y ser capaces de obtener toda la información deseada en un idioma que entendamos y todo esto en pocos segundos necesitamos un Lector de Ingredientes. El lector de ingredientes que se describe en este proyecto tiene por objeto exactamente eso, leer automáticamente la lista de ingredientes de cualquier producto alimenticio y darnos la información deseada. Esta información puede simple “es apto”/”no es apto” para nuestra dieta. Esta idea nos obliga a diseñar una nueva manera de escribir y de leer la lista de ingredientes. Para que la lista de ingredientes pueda ser entendida por todo el mundo ésta debe estar escrita en un idioma universal. Se va a crear pues una Base de Datos de Ingredientes con todos los ingredientes posibles. Estos ingredientes vendrán identificados con un código y será este código el que aparezca en la nueva lista de ingredientes. De esta manera este código puede ser traducido al idioma deseado en el proceso de lectura de la lista de ingredientes. El fabricante, en el momento de crear la etiqueta, deberá elegir los ingredientes de la Base de Datos de Ingredientes, especificándolos lo más posible. Para poder leer la lista de ingredientes de forma automática necesitamos codificar la nueva lista de ingredientes (donde cada ingrediente ha sido sustituido por su código universal) con alguno de los métodos de identificación automática (RFID, códigos de barras, etc.). El método seleccionado ha sido QR-Code. QR-Code (Quick Response Code) es un código de dos dimensiones o de matriz con alta capacidad para el almacenamiento de datos. El sistema, una vez especificada la lista de ingredientes y obtenidos los códigos de estos ingredientes, generara el QR-Code correspondiente que será imprimido en la etiqueta del producto. Para leer esta lista de ingredientes codificada en QR-Code se utilizará la cámara del teléfono móvil. Muchos teléfonos modernos ya vienen con el lector de QR-Code preinstalado. El lector de QR-Code lee el código y lo decodifica, es decir nos daría la lista de ingredientes con los ingredientes codificados. Los programas del Lector de Ingredientes que también estarían instalados en el teléfono móvil traducen, con ayuda de la Base de Datos de Ingredientes, esta lista al idioma deseado. Además será posible predefinir nuestra dieta para que el lector de ingredientes nos diga si el producto es apto o no para ella. La Base de Datos de Ingredientes está diseñada de tal manera que cada usuario podrá instalarla en su teléfono en el idioma que desee. Para este proyecto se ha creado la Base de Datos de Ingredientes en inglés. La Base de Datos ha sido generada con Metakit, contiene 2885 ingredientes diferentes con sus códigos identificativos, nombre y otras informaciones sobre las dietas más habituales y solo ocupa 256 KB. También se han desarrollado programas para el prototipo: lectura de la Lista de Ingredientes, traducir esta lista a inglés o a español, comprobar si es apto para las dietas vegetarianas, dieta celíaca, halal y kosher. Estos programas están escritos en Tcl y en total ocupan 24 KB. Las medidas de tiempo de ejecución del prototipo para funciones que acceden a la BDI han dado como resultado tiempos inferiores al medio segundo. Estos datos de ocupación de memoria y de tiempo de ejecución demuestran la viabilidad del proyecto ya que el objetivo final es que la aplicación esté empotrada en teléfonos móviles.