PRÁCTICA IMPLEMENTACIÓN DE SENSORES Y ACTUADORES INALÁMBRICOS XBEE PRO S2B CON INTERFACE GRÁFICA EN LABVIEW. *Volver al Menú (link)* Alvaro Romero Acero Alejandro Marín Cano Ingeniería de Control Universidad Nacional de Colombia 1. Introducción En esta práctica se aplicará la parte de instrumentación y medición por medio de sensores de temperatura, intensidad luminosa, señales analógicas, digitales y actuadores por réle, de forma inalámbrica basados en el protocolo ZigBee usando los módulos XBee PRO S2B, integrando los conceptos básicos hacia la exploración de las herramientas de la comunicación sin hilos de forma segura a la hora de enviar y recibir señales en tiempo real, se opta por sumar instrumentos de adquisición de datos como el entorno de programación de LabVIEW, por medio de interfaces gráficas que proporcionen un sistema de monitoreo y control desde el computador en tiempo real, con el fin de abrir las puertas al diseño de sistemas HMI (Human Machine Interface), SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition), Supervisión, Monitoreo y Control remoto, etc., que sirvan como competencias para la formación profesional en ingeniería. 2. Objetivo 2.1 General · Integrar la instrumentación, protocolo ZigBee e Interface gráficas en LabVIEW, enfocadas al sistema HMI (Interface Hombre Maquina), explorar el alcance de aplicación del protocolo ZigBee, y adecuar unas bases solidas para la futura implementación de redes inalámbricas en modo API. 2.2 Específico · Adquirir las herramientas necesarias para lograr integración HMI de forma inalámbrica por medio de los módulos XBee PRO S2B. Vídeo 1 Plataformas de aprendizaje Zigbee http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=H5MiaLbltSI 3. Componentes, equipos y software En cuanto a los componentes, equipos y software se requieren los mismo de la practica 1 “Configuración y Conceptos Básicos XBee PRO S2B”, adicionalmente se tienen el software de programación Labview 2011 (Licencia para dos PC del primer piso M7), opcional Matlab (Versión 2007 o superior), tanto LabVIEW y Matlab se utilizarán los de la Universidad no se requiere que los estudiantes de la práctica los tengan, pero no sobra que los que puedan lo lleven así agilizarán la práctica, se contará con sensores acondicionados para el sistema embebido al igual que relés como en función de actuadores. Nota: Anotar las series de la pareja de módulos XBee PRO S2B que trabajarán para la práctica 2. 4. SISTEMAS HMI La metodología por equipos, continúa para esta práctica al igual que trabajen con la misma pareja de módulos XBee PRO S2B, para esto también se implemento tres ejercicios diferentes enfocados a sistemas HMI que puedan trabajar independientemente y realimentar con los demás equipos sobre el sistema HMI que les correspondió. Importante: Antes de abrir la Interface gráfica (VI) en Labview, debe leerse el módulo XBee PRO S2B con el driver X-CTU y verificar la correcta comunicación en la ventanaTerminal, no es necesario volver a configurar, si y solo si, se trabajan con la misma pareja de Xbee de la practica 1. Tener en cuenta el COM (#) por el cual el driver X-CTU detecto el módulo Xbee, luego se cierra el driver X-CTU.
4.1. Equipo 1 (Recepción (Rx) de dos señales analógicas) Obtendrá el siguiente nombre “Práctica_2_Equipo1_Rx_dos_Señales_Módulos_Xbee_Pro_S2B” *Cuenta con la Interface gráfica (VI) en LabVIEW (Figura 1) se compone por:
Figura 1. Interface gráfica en LabVIEW para HMI 1 4.1.1 Configuración del puerto serial: Colocar el COM (#), es el numero del puerto COM que debe ser igual al detectado por el X-CTU. El Baud rate (9600), es el mismo con que fue configurado en la practica 1. 4.1.2 Termómetro (Rx) Esta en grados centígrados (oC), a escala de (0 a 50) oC, se acompaña de un visor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido. 4.1.3 Gráfica (Naranja) Registra la señal continua de Temperatura, a escala de (20 a 50) oC en amplitud. 4.1.4 Medidor de Voltaje DC [V] (Rx) Señal generada desde el potenciómetro (POT) del sistema embebido con un rango de (0 a 5)V, con visor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido.
4.1.5 Grafica (Roja) Registra la señal continua del potenciómetro, a escala de (0 a 5)V en amplitud. Nota: esta interface y las otras dos cuentan con un botón STOP. 4.1.6 SENSOR DE TEMPERATURA Este sensor está diseñado con un LM35 (Figura 2), el cual es alimentado con (+9 y -9)V, tener en cuenta bien definida la polaridad y buscar una fuente simétrica para su respectiva alimentación. Ver la tarjeta del sistema embebido, la salida analógica del sensor se conecta a la entrada analógica 2 del sistema embebido. Verificar continuidad de tierras (GND) y conexiones entre las fuentes de alimentación, sensor y sistema embebido.
Figura 2. Sensor de temperatura 4.1.7 Sistema HMI Equipo 1 (Recepción de dos señales analógicas, ver Figura 3)
Figura 3. Sistema HMI 1
4.2. Equipo 2 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas) Obtendrá el siguiente nombre “Práctica_2_Equipo2_Rx_Tx_Señales_Módulos_Xbee_Pro_S2B” *Cuenta con la Interface gráfica (VI) en LabVIEW (Figura 4) se compone por:
Figura 4. Interface gráfica en labVIEW para HMI 2 4.2.1 Configuración del puerto serial: Colocar el COM (#), es el numero del puerto COM que debe ser igual al detectado por el X-CTU. El Baud rate (57600), es el mismo con que fue configurado en la practica 1. 4.2.2 Perilla (Tx) Envia la señal desde la interface gráfica que comunica al sistema embebido conectado a un réle, al girar la perilla en ambos sentidos con un rango de (0 a 5)V, se acompaña de unvisor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido. 4.2.3 Gráfica (Naranja) Registra la señal continua de envio en nivel de voltaje, a escala de (0 a 5) V en amplitud. 4.2.4 Medidor de Voltaje DC [V] (Rx) Señal generada desde el potenciómetro (POT) del sistema embebido con un rango de (0 a 5)V, con visor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido. 4.2.5 Grafica (Roja)
Registra la señal continua del potenciómetro, a escala de (0 a 5)V en amplitud. 4.2.6 ACTUADOR RÉLE (5V) Este Actuador (Réle) de 5V (Figura 5) recibe una señal digital (Bit - MSB) , es decir el bit más significativo se conecta al relé para que se accione cuando encienda el Led MSB, la acción de este led MSB es manejada desde la interface por la perilla. El relé no requiere una fuente adicional, se sacan los 5V del sistema embebido. Esta aplicación se puede expandir a un banco de 8 relés correspondientes a los 8 bit del puerto, con un total de 256 combinaciones. Ver la tarjeta del sistema embebido, la salida del led MSB del sistema embebido se conecta a la entrada Led MSB del réle. Verificar continuidad de tierras (GND) y conexiones entre las fuentes de alimentación, sensor y sistema embebido.
Figura 5. Actuador réle de 5V 4.2.7 Sistema HMI Equipo 2 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas)
Figura 6. Sistema HMI 2 4.3. Equipo 3 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas) Obtendrá el siguiente nombre “Práctica_3_Equipo2_Rx_Tx_Señales_Módulos_Xbee_Pro_S2B” *Cuenta con la Interface gráfica (VI) en LabVIEW (Figura 7) se compone por:
Figura 7. Interface gráfica en LabVIEW para HMI 3
4.3.1 Configuración del puerto serial: Colocar el COM (#), es el numero del puerto COM que debe ser igual al detectado por el X-CTU. El Baud rate (9600), es el mismo con que fue configurado en la practica 1. 4.3.2 Perilla (Tx) Envía la señal desde la interface gráfica que comunica al sistema embebido, al girar la perilla en ambos sentidos con un rango de (0 a 5)V, se acompaña de un visor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido. 4.3.3 Gráfica (Naranja) Registra la señal continua de envio en nivel de voltaje, a escala de (0 a 5) V en amplitud. 4.3.4 Medidor de Intensidad Luminosa (%) (Rx) Señal generada desde el sensor de intensidad luminosa (Fotoresistencia) conectado al sistema embebido a una escala porcentual de (0 a 100)%, con visor numérico y de 8 led de color verde que corresponden a los mismo del sistema embebido.
4.3.5 Grafica (Amarilla) Registra la señal continua del sensor de intensidad luminosa, a escala de (0 a 100)% en amplitud. 4.3.6 SENSOR DE INTENSIDAD LUMINOSA (FOTORESISTENCIA) Este sensor está diseñado con una fotoresistencia (Figura 8), el cual es alimentado con (+6 y -6)V, tener en cuenta bien definida la polaridad y buscar una fuente simétrica para su respectiva alimentación. Ver la tarjeta del sistema embebido, la salida analógica del sensor se conecta a la entrada analógica 2 del sistema embebido. Verificar continuidad de tierras (GND) y conexiones entre las fuentes de alimentación, sensor y sistema embebido.
Figura 8. Sensor de fotoelectrico 4.3.7 Sistema HMI Equipo 3 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas)
Figura 9. Sistema HMI 3 5. Procedimiento general para los tres sistemas HMI Teniendo en cuenta la descripción y recomendaciones anteriores, se procede a ejecución de los sitemas HMI de la siguiente forma. 5.1 Conexiones y alimentación Sistema embebido Se verifican las conexiones, continuidad, tierras (GND), voltajes de alimentación correcta ubicación del microcontrolador y módulo Xbee, notas y recomendaciones importantes. 5.2 Identificar el puerto COM (#) Antes de abrir la Interface grafica (VI) en Labview, debe leerse el módulo Xbee PRO S2B con el driver XCTU y verificar la correcta comunicación en la ventana Terminal, no es necesario volver a configurar, si y solo si, se trabajan con la misma pareja de Xbee de la practica 1. Tener en cuenta el COM (#) por el cual el driver X-CTU detecto el módulo Xbee, luego se cierra el driver X-CTU. 5.3 Interface gráfica de LabVIEW
Se abre la interface grafica en Labview y se configura el COM (#) y Baud rate (9600), se apaga el sistema embebido y posteriormente se ejecuta la interface de Labview, cuenta con 10 segundos para encender el sistema embebido para lograr establecer la comunicación inalámbrica con la interface, sino logra una comunicación o se trucan los datos de Rx y Tx se debe parar la ejecución de la interface y repitir los pasos 5.1, 5.2 y 5.3. 6. ACTIVIDAD La actividad para los tres sistemas HMI, consisten en tomar datos y registrarlos en las tablas 1 y 2: 6.1 HMI Equipo 1 (Recepción (Rx) de dos señales analógicas) 6.1.1 tomar tres datos diferentes del sensor de temperatura desde la interface grafica en Labview, variando la temperatura con la yema de los dedos al LM35, temperatura ambiente y midiendo una temperatura más baja con un soplo o viento al sensor. 6.1.2 tomar tres datos diferentes del medidor de voltaje desde la interface grafica en Labview, variando el giro del potenciómetro. 6.2 HMI Equipo 2 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas) 6.2.1 tomar tres datos diferentes de la perilla desde la interface gráfica en LabVIEW, cuando la activación del Led MSB (ON) quede en alto, es decir cuando el relé pase del estado Normalmente Abierto a Normalmente Cerrado. 6.2.2 tomar tres datos diferentes del medidor de voltaje desde la interface gráfica en LabVIEW, variando el giro del potenciómetro. 6.3 HMI Equipo 3 (Recepción (Rx) y Transmisión (Tx) señales analógicas) 6.3.1 tomar tres datos diferentes de la perilla desde la interface gráfica en LabVIEW. 6.3.2 tomar tres datos diferentes del sensor de intensidad luminosa desde la interface grafica en Labview, variando la intensidad de luz colocándole una sombra a la fotoresistencia. Tabla 1 Registro de datos de la medición de la parte superior de la interface en LabVIEW
Tabla 2 Registro de datos de la medición de la parte inferior de la interface en LabVIEW
7. Preguntas (Preinforme) 1. Completar las partes del sistema embebido
2. Explique una aplicación industrial ó domótica, de cada sistema HMI implementados en esta práctica, (son tres sistemas HMI 4.1, 4.2 y 4.3) que se puedan llevar a una implementación real? 3. Describa e ilustre una aplicación del protocolo ZigBee que involucre un sistema de redes de sensores inalámbricos? 4. Realice un diagrama de flujo ó bloques de cada sistema HMI (4.1, 4.2 y 4.3) donde se observe la integración del sistema embebido los módulos Xbee y la interface gráfica de acuerdo a la descripción en los numerales (4.1, 4.2 y 4.3) 5. Analice y explique con comentarios en cada linea, el siguiente código en Matlab utilizado para establecer la comunicación Matlab –Xbee por el puerto USB. % INICIA COMUNICACIÓN SERIAL PUERTO COM 4 SerPIC = serial('COM4'); set(SerPIC,'BaudRate',57600); set(SerPIC,'DataBits',8); set(SerPIC,'Parity','none'); set(SerPIC,'StopBits',1); set(SerPIC,'FlowControl','none'); fopen(SerPIC);
fprintf(SerPIC,'%s','L') pause(0.12) fclose(SerPIC); delete(SerPIC) clear SerPIC BIBLIOGRAFÍA [1] Faludi, R., "Wireless sensor networks", O’REILLY , 2011 [2] Digi International, (empresa de tecnologías de conexión en red de dispositivos), URL: http://www.digi.com (última visita: 27/02/12) [3] National Instrument (Instrumentación de laboratorios virtuales) URL: http:// www.ni.com(última visita: 24/02/12)
