UNIVERSIDAD DE TARAPACÁ Escuela Universitaria de Ingeniería Eléctrica y Electrónica HERRAMIENTAS HERRAMIENTAS DE SOFTWARE TÍTULO EXPERIENCIA IMPLEMENTACION IMPLEMENTACION DEL PROYECTO MONITOREO AMBIENTAL EN EL SECTOR INDUSTRIAL
NOMBRES ALUMNOS
OBSERVACIONES OBSERVACIONES
- PTRRZA -
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FECHA REALIZACIÓN 07/ 12 / 2017 FECHA ENTREGA
ASIGNATURA
08/ 12 / 2017
HERRAMIENTAS SOFTWARE
PROFESOR: NOTA:
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ÍNDICE 1.-INTRODUCCIÓN ……………………………… …………………………………………………………… ……………………………Pág.4. 2.- DESARROLLO DESARROLLO DEL PROYECTO………………………………………… PROYECTO…………………………………………Pág,5. 2.1.-Implementación de SIMULINK ……………………………………….. Pág.5. 3.- ARDUINO UNO…………………………………………………………….…Pág .6. 3.1.-Entradas y salidas digitales/analógicas ……………………………… . Pág.6. 3.2-Terminales digitales……………………………………………………… .Pág.7 3.2.1.- Serial: 0 (RX) y 1 (TX) ……………………………………………..Pág.7 3.2.2.-Interruptores externos: 2 y 3 ………………………………………. Pág.7 3.2.3.- PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11 …………………………………………… Pág.7 3.2.4.- SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) …………………….Pág.7 3.2.5.- LED: 13. En el Diacemila y el LilyPad……………………………… Pág.7 3.2.6.-Pines analógicos......................................................................................Pág.7 3.2.7.- I2C: I2C: 4 (SDA) y 5 (SCL) 7……………………………………………… Pág.8 3.3.-Pines de alimentación ……………………………………………………… Pág.8 3.3.1.- Fuente VIN ……………………………………………………………. . Pág.8 3.3.2.-Fuente de 5V ……………………………………………………………. Pág.8 2.2.3.-Fuente de 3V ……………………………………………………………. . Pág.8 3.4.-Otros 3.4.-Otros Pines………………………………………………………………… Pág.8 3.4.1.- AREF…………………………………………………………………… . Pág.8 3.4.2.- Reset ……………………………………………………………………. . Pág.8 4.-SENSORES 4.-SENSORES DEL PROYECTO…………………………………………………... Pág.9 4.1.-Sensor de temperatura y humedad [DIGITAL] ………………………. Pág.9 4.1.1.-Características generales ………………………………………………. Pág.9 2
4.2.-Sensor de ruido KY-038 [ANALOGO]……………………………………. Pág.10 4.2.1.-Características generales ……………………………………………. . Pág.10 4.3.-Implementación de los sensores Digitales y Análogos del Proyecto ……. Pág.11 4.4.-Programación de Arduino …………………………………………..…. ....Pág.12 5.-IMPLEMENTACION SIMULINK…………………………………………….. Pág.13 5.1.-Configuración Query Instrument ……………………………………….. Pág.14 5.2.-Implementación Math Function ………………………………………….. Pág.14 5.3 Implementación bloque To Workspace ………………………………….. Pág.15 5.4.-Implementación del SCOPE ……………………………………………… Pág.16 6.-MATLAB …………………………………………………………………………. Pág.17 7.-EXCEL……………………………………………………………………………. Pág.17 8.-THINGSPEAK …………………………………………………………………... Pág.18 9.-IMPLEMENTACIÓN CANAL THINGSPEAK……………………………….. Pág.19 10.-CONCLUSIÓN ………………………………………………………………….. Pág.20 11.-BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………… ...……Pág.21
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1.-INTRODUCCIÓN. La definición de la Internet de las Cosas, (IoT) es elusiva porque se refiere a muchas disciplinas, tecnologías y dominios de aplicaciones. Esencialmente, la IoT avizora sistemas de sensores interconectados y objetos inteligentes que trabajan juntos para hacer al ambiente inteligente, usable y programable. La IoT involucra sensores, circuitos, sistemas embebidos, comunicaciones, interfaces inteligentes, gestión de energía, gestión de datos, fusión de datos, gestión de conocimiento, sistemas en tiempo real, procesamiento distribuido, diseño de sistemas y técnicas so fisticadas de software que se relacionan con los grandes datos. La IoT también incluye desde la Internet industrial, la cual podría cambiar profundamente como los productos son producidos, hasta la salud-electrónica, que ofrece nuevas formas para el cuidado de humanos y el tratamiento de dolencias. Los sistemas de IoT cubren un amplio espectro de arquitecturas, abarcando desde las pequeñas estructuras, con pocos sensores y el interfuncionamiento en áreas limitadas que proporcionan servicios y aplicaciones a un pequeño conjunto de personas, a los sistemas omnipresentes que involucran a millones de sensores, el procesamiento distribuido de la información y el establecimiento de actuadores para la infraestructura de una ciudad inteligente. El presente informe contiene la finalización del proyecto presentado en la exposición correspondiente al ramo de Herramientas de Software para Ing eniería, dando un enfoque más detallado para explicar los resultados obtenidos.
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2.- DESARROLLO DEL PROYECTO. 2.1.-Implementación de SIMULINK. SIMULINK es un paquete de software para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Soporta sistemas lineales y no lineales, modelados en tiempo continuo, muestreados o un híbrido de los dos. Los sistemas pueden ser también multifrecuencia, es decir, tienen diferentes partes que se muestrean o actualizan con diferentes velocidades. Para modelar aplicando IOT al proyecto se actualizó las librerías para trabajar con ARDUINO ya que SIMULINK no posee aquella librería.
Fig.2.1.-Ruta para actualizar Software Simulink. Para implementar se procedió a instalar el software, con la ruta: Tools/Run on Target Hardware/Install/Update Support Package. Ver Fig.2.1.
Fig.2.2-Actualización Simulink.
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3.- ARDUINO UNO. Arduino Uno es una placa electrónica basada en el microcontrolador ATmega328. Cuenta con 14 entradas/salidas digitales, de las cuales 6 se pueden utilizar como salida s PWM (Modulación por ancho de pulsos) y otras 6 son entradas analógicas. Además, incluye un resonador cerámico de 16 MHz, un conector USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP y un botón de reseteado. Características técnicas de Arduino Uno r3 - Microcontrolador: ATmega328 - Voltage: 5V - Voltage entrada (recomendado): 7-12V - Voltage entrada (limites): 6-20V - Digital I/O Pins: 14 (de los cuales 6 son salida PWM) - Entradas Analogicas: 6 - DC Current per I/O Pin: 40 mA - DC Current parar 3.3V Pin: 50 mA - Flash Memory: 32 KB (ATmega328) de los cuales 0.5 KB son utilizados para el arranque - SRAM: 2 KB (ATmega328) - EEPROM: 1 KB (ATmega328) - Clock Speed: 16 MHz
3.1.-Entradas y salidas digitales/analógicas. Un sistema electrónico es cualquier disposición de componentes electrónicos con un conjunto definido de entradas y salidas. Una placa Arduino, por tanto, puede pensarse de forma simplificada como un sistema que acepta información en forma de señal de entrada, desarrolla ciertas operaciones sobre ésta y luego produce señales de salida. En los sistemas electrónicos, una magnitud física variable se representa generalmente mediante una señal eléctrica que varía de manera tal que describe esa magnitud. Por lo general, se hace referencia a las señales continuas como señales analógicas, mientras que las 6
señales discretas a señales digitales: el ejemplo más claro es el de las señales binarias, donde las señales sólo pueden tomar dos niveles, 0 o 1. Arduino incorpora terminales digitales (señales discretas) pero de tal forma que tenemos un gran abanico de valores con los que trabajar ( Desde 255 valores de luz en un fotosensor, siendo 0 ausencia de luz y 254 el máximo valor lumínico).
3.2-Terminales digitales. Las terminales digitales de una placa Arduino pueden ser utilizadas para entradas o salidas de propósito general a través de los comandos de programación pinMode(), digitalRead(), y digitalWrite(). Cada terminal tiene una resistencia pull-up que puede activarse o desactivarse utilizando digitalWrite() (con un valor de HIGH o LOW, respectivamente) cuando el pin esta configurado como entrada. La corriente máxima por salida es 40 mA.
3.2.1.- Serial: 0 (RX) y 1 (TX). Utilizado para recibir (RX) y transmitir (TX) datos serie TTL. En el Arduino Diacemila, estas terminales están conectadas a las correspondientes patas del circuito integrado conversor FTDI USB a TTL serie. En el Arduino BT, están conectados al las terminales correspondientes del modulo Bluetooth WT11. En el Arduino Mini y el Arduino LilyPad, están destinados para el uso de un módulo serie TTL externo (por ejemplo el adaptador Mini-USB).
3.2.2.-Interruptores externos: 2 y 3 . Estas terminales pueden ser configuradas para disparar una interrupción con un valor bajo, un pulso de subida o bajada, o un cambio de valor. Mira la función attachInterrupt() para mas detalles.
3.2.3.- PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proporcionan salidas PWM de 8 bit con la función analogWrite().
3.2.4.- SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estas terminales soportan comunicación SPI. Aunque esta funcionalidad esta proporcionada por el hardware, no está incluida actualmente el lenguaje Arduino.
3.2.5 .- LED: 13. En el Diacemila y el LilyPad hay un led en placa conectado al pin digital 13. cuando el pin tiene valor HIGH, el LED está encendido, cuando el pin está en LOW, está apagado
3.2.6.-Pines analógicos. - Los pines de entrada analógicos soportan conversiones analógico-digital (ADC) de 10 bit utilizando la función analogRead(). Las entradas analógica s pueden ser también usadas como pines digitales: entrada analógica 0 como pin digital 14 hasta la entrada analógica 5 7
como pin digital 19. Las entradas analógicas 6 y 7 (presentes en el Mini y el BT) no pueden ser utilizadas como pines digitales.
3.2.7.- I2C: 4 (SDA) y 5 (SCL). Soportan comunicaciones I2C (TWI) utilizando la librería Wire (documentación en la página web de Wiring).
3.3.-Pines de alimentación. 3.3.1.-Fuente VIN (a veces marcada como “9V”). Es el voltaje de entrada a la placa Arduino cuando se está utilizando una fuente de alimentación externa (En comparación con los 5 voltios de la conexión USB o de otra fuente de alimentación regulada). Puedes proporcionar voltaje a través de este pin. Date cuenta que diferentes placas aceptan distintos rangos de voltaje de entrada, por favor, mira la documentación de tu placa. También date cuenta que el LilyPad no tiene pin VIN y acepta solo una entrada regulada.
3.3.2.-Fuente de 5V. La alimentación regulada utilizada para alimentar el microcontrolador y otros componentes de la placa. Esta puede venir de VIN a través de un regulador en placa o ser proporcionada por USB u otra fuente regulada de 5V.
3.3.3.-Fuente de 3V. Una fuente de 3.3 voltios generada por el chip FTDI de la placa. 3.3.4.-GND. Pines de tierra. 3.4.-Otros Pines. 3.4.1.- AREF. Referencia de voltaje para las entradas analógicas. Utilizada con la función analogReference().
3.4.2.- Reset. Resetea el microcontrolador. Utilizada típicamente para añadir un botón de reset a shields que bloquean el de la placa principal. Para implementar el proyecto lo primero que se analizó fueron las características del ARDUINO UNO y los sensores que se ulizados, debido a que se requiere una correcta lectura.
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4.-SENSORES DEL PROYECTO. 4.1.-Sensor de temperatura y humedad [DIGITAL]. El sensor DHT11 es un sensor de humedad y temperatura, y entrega datos de alta calidad y una fiabilidad. Está constituido por dos sensores resistivos (Temperatura NTC y humedad). Para realizar el proyecto actualizó la librería del Arduino.
Fig.8.-Sensor DHT11.
4.1.1.-Características generales. - Tamaño reducido. - Voltaje de operación: 3V-5.5V - Rango Humedad: 20-90% de Humedad Relativa (+-5%). - Rango temperatura : 0-50ºC (+-2°C). - Resolución Humedad: 1RH / 8 bits - Resolución Temperatura: 1ºC / 8 bits. - Sensor montado en una board con el hardware necesario para su uso. - Tamaño: 3.1cm x 1.4cm
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4.2.-Sensor de ruido KY-038 [ANALOGO].
Fig.4.2.-Sensor de ruido Arduino. El módulo AR-SOUND es un sensor analógico y/o digital de sonido (KY-038), diseñado para proyectos y circuitos elaborados con Arduino. Cuenta con un micrófono de condensador omnidireccional de alta sensibilidad, que permite detectar con precisión hasta sonidos de muy baja intensidad. Este sensor detecta la intensidad del sonido de un ambiente (basado en vibraciones) NO reconoce voz o frecuencias específicas. Su dualidad análogo-digital hizo analizar las ventajas de una sobre la otra. Se eligió la entrada analoga por mayor flexibilidad al momento de implementar la programación sobre el microcontrolador.
4.2.1.-Características generales del sensor. -Posee un potenciómetro para ajustar la sensibilidad. -Voltaje de operación: 3.3VDC a 5VDC. -Voltaje de salida (detección): igual o menor a 3.5VDC. -Voltaje de salida (no detección): igual o mayor a 3.75VDC. -Tiempo de duración (activación): <250mS. -Dimensiones: 3.2cm x 1.7cm. -Posee 3 pines: VCC (+), GND (-), OUT. -Usado en aplicaciones para detectar aplausos o sonidos estridentes.
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4.3.-Implementación de los sensores digitales y análogos del proyecto . Se procedió a implementar los sensores a los respectivos pines de entrada análogo y digital como se muestra en la Figura.4.3.
Figura 4.3.-Implementación de los sensores en Arduino Uno. El sensor de Humedad/Temperatura conectado al pin digital 2, y el sensor de ruido al pin análogo A0, con sus respectivas conexiones a Vcc y Gnd como se puede apreciar en la figura.
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4.4.-Programación de Arduino. Se procedió a actualizar las librerías del microcontrolador, debido a que no se contaba con la librería DHT11 como lo muestra la Figura 4.4.1.
Fig.4.4.1.-Actualizando librería DTH11. Se programó considerando que la información será recibida por Simulik, revisando el programa meticulosamente para no entregar errores o inconsistencias. //Proyecto internet de las cosas herramientas software UTA #include "DHT.h" //cargamos la librería DHT #define DHTPIN 2//Seleccionamos el pin en el que se //conectará el sensor #define DHTTYPE DHT11 //Se selecciona el DHT11 (hay //otros DHT) DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //Se inicia una variable que será usada por Arduino para comunicarse con el sensor int rango = 300; int ruido; int r; void setup() { Serial.begin(9600); //Se inicia la comunicación serial dht.begin(); //Se inicia el sensor } void loop() { float h = dht.readHumidity(); //Se lee la humedad float t = dht.readTemperature(); //Se lee la temperatura ruido = analogRead(A0);//se lee el ruido r = (ruido*500)/1023; //Se envian las variables h,t,r por puerto serial Serial.print(h); Serial.print(","); Serial.print(t); Serial.print(","); Serial.print(r); Serial.println();//visualiza un salto con espacio en pantalla Arduino delay(1000); //Se espera 1 segundos para seguir leyendo //datos }
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Se corrobora la lectura de los sensores, midiendo la humedad temperatura y ruido del entorno. Comprobando la correcta implementación y diseño del circuito.
Fig.4.4.2.-Ventana del Arduino. Se puede apreciar que los datos están separados por una coma, definidas así para su posterior proceso de transferencia.
5.-IMPLEMENTACIÓN SIMULINK. Se implementaron los bloques en SIMULINK para obtener los datos medidos por Arduino. Para ello se hace uso del Query Instrument, que cumple la función de recibir los datos entregados por el microprocesador y enviarlo al bloque Math Function, que trabaja en el modo Transpose.
La información
finalmente es almacenada por el bloque To
WorkSpace y visualizada en el SCOPE.
Fig.5.-Esquema en Simulink del proyecto.
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5.1.-Configuración Query Instrument. Para configurar este bloque, es importante comprender que se está trabajando con múltiples señales y por ende se tiene que implementar en base a estas características.
Fig.5.1.-Valores de parámetros del Query Instrument.
Aspectos importantes: Se declara la interface, el puerto COM, código ANSII, cantidad de salidas como se presenta en la figura. Este aspecto es muy relevante, ya que, si se declara mal la cantidad de datos se generará una inconsistencia s pese a que el microcontrolador este midiendo correctamente.
5.2.-Implementación Math Function. El bloque Math Funcion, recibe la información generada por Query Intrument, y convierte por medio de la función TRANSPOSE a datos independientes.
Fig.5.2.-Configuración de los parámetros del bloque Math Function. 14
5.3.- Implementacion bloque To Workspace. Workspace, almacena la información designándola como matriz de 2-D. Para ser almacenado de forma sistemática en Matlab.
Fig.5.3.- Parámetros del bloque To Workspace. Este bloque es la interfaz de SIMULINK con EXCEL, ya que sin esta herramientas no se hubiera podido obtener las mediciones en una tabla ordenada. Los datos sencillamente serían mostrados de forma errónea o desordenada.
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5.4.-Implementación del SCOPE. Finalmente se procede a visualizar los datos recibidos por SIMULIK, aplicando RUN. Es importante recalcar que Query Instrument permite trabajar en modo Normal , evitando la configuración External , que requiere la acción de reconocimiento de la placa Arduino, acción fundamental para evitar inconsistencias en la comunicación con el microcontrolador.
Fig.5.4.-Mediciones de SIMULINK. Los datos medidos por SIMULINK, nos muestra temperatura (Azul) entre 24°C y 25°C, mientras la humedad (Amarillo) rondando en los 68 % aproximadamente, asimismo el ruido (Rojo) generado por el ambiente oscila como máximo en tormo los 29 db, considerado dentro del margen normal para un entorno laboral.
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6.-MATLAB Matlab contiene la matriz generada por SIMULINK. Los datos son guardados en formato EXCEL, para subirlo al IOT.
Fig.6.-Matriz generada por Simulink.
7.-EXCEL. Para poder subir esta información a Thingspeak, fue necesario recopilar 3000 muestras.
Fig.7.-Datos en Excel 17
8.-THINGSPEAK. Se procedió a subir datos a Thinkspeak, para ello se creó una canal, con tres labels.
Si se sube los datos de forma convencional se generará un error, ya que T hingspeak exige tres condiciones: 1.-La planilla EXCEL debe estar en formato CVS (MS-DOS). 2.-Primera Columna debe ser la Fecha-hora Formato: MYSQL, ISO 8601 o Eproch. Las otras columnas serán los datos y pueden ser recolectadas por Simulik (To Workspace) o Matlab. Deben coincidir con la cantidad de labels de Thinkspeak. 3.- La cantidad mínima de datos o muestras es de100, y la máxima es de 190.000, su duración es de aproximadamente un año en la red, se actualiza cada 5 segundos modo gratuito y cada 1 segundo modo pago. Teniendo presente esto se procede a subir los datos entregados por los sensores a la nube del internet de las cosas. La información es almacenada casi instantáneamente y visualizada. El canal con los labels aún sin definir, se procede a modificar cada Field, o campo de entrada. Obteniendo la implementación del Canal.
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9.-IMPLEMENTACIÓN CANAL THINGSPEAK.
Se crea así un canal público con las muestras obtenidas por Simulink c uya dirección es: https://thingspeak.com/channels/379923
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10.-CONCLUSIÓN. El objetivo fundamental de monitorear datos en cualquier parte del mundo fue realizado satisfactoriamente.
Este proyecto ayudo a entender mejor el concepto de la IOT, sus ventajas asimismo descubrir sus desventajas. Tener noción del avance tecnológico que está presente hoy en día y ver las implicancias que tiene para el futuro. Esto también nos llevó a ver que existe la fragilidad de la seguridad en la IOT y posiblemente sea uno de los mayores problemas que posea el desarrollo de esta tecnología a mediano plazo. Pese a todo la IOT, es desarrollada para optimizar las decisiones ya que se trabaja en tiempo real y esta misma ayudará a solucionarlo. Para lograr nuestro objetivo se trabajó con el entorno de ARDUINO, SIMULINK, MATLAB, EXCEL y THINGSPEAK, para: recolectar, transferir, analizar, ordenar y publicar los datos en la RED y así monitorear en cualquier punto del mundo mediante la IOT nuestras cosas en tiempo real.
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11.-BIBLIOGRAFÍA. Con acceso viernes 8 de Diciembre del año 2017. [1] http://www.iescamp.es/miarduino/2016/01/21/placa-arduino-uno/ [2 ] https://docs.google.com/file/d/0B0hsUkhqWH97NnM5QWZlN0ZsYVE/edit [3] http://www.iescamp.es/miarduino/2016/01/21/placa-arduino-uno/ [4] http://www.networkworld.es/m2m/el-futuro-del-iot-sera-fascinante-y-
potencialmente-catastrofico [5] https://www.mathworks.com/help/simulink/slref/mathfunction.html [6] https://www.youtube.com/watch?v=gV7l2YOSOQ4
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