sistema para monitorizar y controlar instalaciones de forma remota utilizando software libre

AUTOR: D. Zebenzuy Lima López

TUTORES: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez

Dr. Hugo García Vázquez

TITULACIÓN: Ingeniero de Telecomunicación

UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA

SISTEMA PARA MONITORIZAR Y CONTROLAR INSTALACIONES DE FORMA REMOTA UTILIZANDO

SOFTWARE LIBRE

EITE 2015

INDICE

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros

1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 1

1. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

• Adquirir nuevos conocimientos y aptitudes

• Aplicar las distintas disciplinas de la titulación

• Desarrollar un producto

2

ACTUAL

FUNCIONAL

VERSÁTIL

FUTURO

2. OBJETIVOS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 3

2. OBJETIVOS

• Diseñar un sistema abierto para monitorizar y controlar cualquier tipo instalación de forma remota utilizando Software libre

• Uso y gestión un servidor y una base de datos

• Creación de una aplicación web

• Abordar el proyecto por separado: 3 Bloques

• Implementación y verificación del sistema general

• Estudio de posibles aplicaciones

4

DISEÑAR

USAR Y GESTIONAR

ESTUDIAR

IMPLEMENTACIÓN Y VERIFICACIÓN

DESARROLLAR

3. INTRODUCCIÓN

1. Motivación

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 5

3. INTRODUCCIÓN

Redes sensores e Internet de las cosas como base del proyecto

Redes de sensores Monitorizan magnitudes físicas de procesos productivos Actualmente se comunican de forma inalámbrica Tamaño reducido, potentes y consumo eficiente Utilizan ZigBee, Bluetooth, WIFI o GPRS Estándar IEEE 802.15.4 Diversas aplicaciones: domótica, militares, industriales,

agrícolas, protección medioambiental, etc

6

3. INTRODUCCIÓN

• Mota o nodo

Sensor

Transmisor contecnología

inalámbrica:wifi,zigbee,bluetooth..

Batería

CPU/Memoria

7

3. INTRODUCCIÓN

Internet de las cosas Interconexión de objetos cotidianos con Internet

Próxima evolución de Internet

En 2003 : 0,08 dispositivos/persona

Actualmente : 1,84 dispositivos/persona

Internet sensorial

8

3. INTRODUCCIÓN

• Propuesta sistema general

CPUWifi

Red Waspmote

Red Arduino

Otros

Sensores

Actuadores

Cámara

Otros

INTERNET

Ethernet

Servidor

WEB

WEB

WEB

Usuario 1

Usuario 2

Usuario 1

CPUWifi

Red Waspmote

Red Arduino

Otros

Sensores

Actuadores

Cámara

Otros

Usuario 2

Ethernet

Bloque 1

Bloque 2

Bloque 3

9

BLOQUE 1 BLOQUE 3

BLOQUE 2

4. BLOQUE 1

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 10

4. BLOQUE 1

• Estará ubicado en la instalación a monitorizar y controlar

Raspberry Pi

11

ARDUINO

SERVO MOTOR

CÁMARA WEB

LEDs

4. BLOQUE 1

Raspberry Pi Configurada y programada completamente desde cero Es la unidad de control en la instalación Encargada de la recepción (Gateway) y envío de datos al

servidor principal Maestro (Master) en la comunicación con Arduino Controla los dispositivos añadidos Actualiza su IP pública automáticamente, evitando uso de

dominios Por seguridad

Permisos de acceso a la base de datos restringidos Conexión SSH con el servidor Clave RSA como huella alojada en servidor principal

12

4. BLOQUE 1

Dispositivos conectados a la Raspberry Pi Arduino

Incorpora los sensores que recogen los valores analógicos de temperatura, humedad y luminosidad

Envía los datos a través de USB al Gateway (RPi) Esclavo (Slave)

Servo motor Cámara web LEDs Hub 4xUSB

13

Se ejecuta script de petición de datos

Se crea Tunneling SSH

Se realiza la conexión segura con la base de datos

Se abre el puerto serie

• Se definen los parámetros de conexión

• Se escribe por el puerto serie un dato ("1")

• Se lee el puerto serie pasado un timeout establecido

Se reciben los datos y se realiza la conversión necesaria

Se almacenan los datos en la BD

Se cierran las conexiones

• Base de datos

• Puerto serie

• SSH

Petición desde

la aplicación

web

Se lee el puerto serie

Se leen los datos analógicos de los

sensores

Se envían los datos por el puerto serie con un formato establecido

Se hace un vaciado del puerto serie (flush)

Vacío

Hay dato

4. BLOQUE 1

14

5. BLOQUE 2

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 15

5. BLOQUE 2 - Servidor

Utilización de un servidor WAMP

Funciones del servidor

• Gestión de usuarios, base de datos

• Alojamiento de la aplicación web

16

WINDOWS

APACHE MySQL

PHP

5. BLOQUE 2 - Servidor

Configuraciones

• Acceso remoto permitido desde RPi

• Creación de un usuario para RPi

• Privilegios restringidos

17

MAYOR CONTROL

SEGURIDAD

5. BLOQUE 2 - Base de datos

Base de datos MySQL

18

GESTIÓN INSTALACIONES

USUARIOS

INSTALACIONES

Acceso y privilegios restringidos para RPi.

Control absoluto para el administrador

Sólo podrá actualizar el servidor (IP pública)

Sólo podrá insertar los nuevos datos de los sensores

5. BLOQUE 2 - Base de datos

Usuarios

ID User Password Servidor

19

5. BLOQUE 2 - Base de datos

Instalaciones

ID Nodo Hum Lum Temp Fecha Ref

Base de datos relacional: Ref está relacionado con el IDde la tabla usuarios

20

6. BLOQUE 3

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 21

6. BLOQUE 3

Aplicación web

Acceso: Programado en PHP y HTML

Restringe el acceso al usuario

Aplicación: Programada en HTML5, JavaScript, PHP y CSS

Permite la monitorización y control de la instalación

22

USUARIO CONTRASEÑA

6. BLOQUE 3

• Aplicación web: Acceso

23

6. BLOQUE 3

Aplicación web: Monitorización

24

LUMINOSIDAD TEMPERATURAHUMEDAD RELATIVA

FECHA

6. BLOQUE 3

• Aplicación web: Control

25

LEDs

WEBCAM

SERVO MOTOR

7. SISTEMA COMPLETO

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 26

7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO

INTERNET

Servidor

WEB WEB

Usuario 1

Usuario 2

Usuario

RPi

Instalación del Usuario

LEDs

Servo motor

Cámara web

Datos de los sensores.vía USB

Datos sensores calibrados.Vía WIFI

ACCIONES DEL USUARIO:

Petición de datosActivar/desactivar Cámara webRotar servo motorEncender/Apagar LEDs

IP PÚBLICA

87.20.20.20

Usuario

Contraseña

27

7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO

INTERNET

Servidor

WEB WEB

Usuario 1

Usuario 2

Usuario

RPi

Instalación del Usuario

LEDs

Servo motor

Cámara web

Datos de los sensores.vía USB

Datos sensores calibrados.Vía WIFI

ACCIONES DEL USUARIO:

Petición de datosActivar/desactivar Cámara webRotar servo motorEncender/Apagar LEDs

IP PÚBLICA

87.20.20.20

Usuario

Contraseña

27

LOGIN

7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO

INTERNET

Servidor

WEB WEB

Usuario 1

Usuario 2

Usuario

RPi

Instalación del Usuario

LEDs

Servo motor

Cámara web

Datos de los sensores.vía USB

Datos sensores calibrados.Vía WIFI

ACCIONES DEL USUARIO:

Petición de datosActivar/desactivar Cámara webRotar servo motorEncender/Apagar LEDs

IP PÚBLICA

87.20.20.20

Usuario

Contraseña

27

PETICIÓN RECIBIDA

7. SISTEMA COMPLETO - FUNCIONAMIENTO

INTERNET

Servidor

WEB WEB

Usuario 1

Usuario 2

Usuario

RPi

Instalación del Usuario

LEDs

Servo motor

Cámara web

Datos de los sensores.vía USB

Datos sensores calibrados.Vía WIFI

ACCIONES DEL USUARIO:

Petición de datosActivar/desactivar Cámara webRotar servo motorEncender/Apagar LEDs

IP PÚBLICA

87.20.20.20

Usuario

Contraseña

27

¡DATOS DISPONIBLES!

7. SISTEMA COMPLETO

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 28

7. SISTEMA COMPLETO - ADMINISTRACIÓN

Administración del sistema

• Acceso remoto como administrador a RPi• Mantenimiento del servidor, base de datos y

aplicación web

Gestión de errores

• Archivos log en RPi• Recepción de correo electrónico

29

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 30

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Temperatura

46.5

47

47.5

48

48.5

49

49.5

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Tem

pe

ratu

ra º

C

7 horas encendida + Webcam

31

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Temperatura

Horas encendida Temperatura máxima Temperatura media

2 47.6 ºC 47.34ºC

4 47.6 ºC 46.81 ºC.

5 47.6 ºC 47.11 ºC.

7 49.7 ºC 48.73 ºC.

32

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Temperatura

Horas encendida Temperatura máxima Temperatura media

2 47.6 ºC 47.34ºC

4 47.6 ºC 46.81 ºC.

5 47.6 ºC 47.11 ºC.

7 49.7 ºC 48.73 ºC.

32

49.7 ºC

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 33

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• CPU

17.8

5.6

53.4

0.60

10

20

30

40

50

60

Sensores LEDs Webcam Servo

Consumo CPU (%)

34

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Webcam proceso crítico

35

Resolución CPU (%) Memoria (%)

320x240 53,4 0,4

720x480 92,7 0,9

800x600 91,7 1,3

1280x720 93 2,3

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Webcam proceso crítico

35

Resolución CPU (%) Memoria (%)

720x480 92,7 0,9

800x600 91,7 1,3

1280x720 93 2,3

320X240 53,4 0,4

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Conclusiones y trabajos futuros

11. Presupuesto 36

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Memoria

2.5

2

0,4

1.4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Sensores LEDs Webcam Servo

Consumo Memoria (%)

37

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 38

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Estudio energéticoTarifa punta: 0,165383 €/kWh 21,731 €

Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 17,085 €

Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 11,706 €

vsTarifa punta: 0,165383 €/kWh 94.108 €

Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 73.985 €

Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 50.692 €

39

P = 15 W

P = 64.98 W

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

• Estudio energéticoTarifa punta: 0,165383 €/kWh 21,731 €

Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 17,085 €

Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 11,706 €

vsTarifa punta: 0,165383 €/kWh 94.108 €

Tarifa llano: 0,130022 €/kWh 73.985 €

Tarifa valle: 0,089085 €/kWh 50.692 €

39

Ahorro anual del 77 % en la tarifa de la energía eléctrica

21.731 €

94.108 €

9. POSIBLES APLICACIONES

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Posibles aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 40

9. POSIBLES APLICACIONES

• Centro de procesamiento de datos (CPD)

41

9. POSIBLES APLICACIONES

• Centro de procesamiento de datos (CPD)

1. Medidas de seguridad en caso de incendio o inundación

2. Sistema específico de refrigeración para mantener unatemperatura baja

3. Instalación de alarmas, control de temperatura y humedadcon avisos SNMP o SMTP

4. Seguridad física de la instalación

42

REQUISITOS

9. POSIBLES APLICACIONES

• Laboratorios

43

9. POSIBLES APLICACIONES

• Laboratorios

1. Temperatura estable

2. Niveles de Temperatura y humedad determinados paraequipos electrónicos

3. Protección de sustancias de la luz

44

REQUISITOS

9. POSIBLES APLICACIONES

• Invernaderos

45

9. POSIBLES APLICACIONES

• Invernaderos

1. Temperatura

2. Humedad relativa

3. Luminosidad

4. CO2

46

REQUISITOS

9. POSIBLES APLICACIONES

• Bodegas

47

9. POSIBLES APLICACIONES

• Bodegas

1. Instalación sin oscilaciones térmicas

2. Valores determinados de humedad relativa

3. Importancia de conocer la temperatura y humedadrelativa en todo momento

48

REQUISITOS

10. PRESUPUESTO

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto

11. Conclusiones y trabajos futuros 49

10. PRESUPUESTO

Concepto Valor

Costes Hardware 648,89 €

Costes de materiales electrónicos

utilizados 205,05 €

Costes de recursos humanos 4200 €

Total 5053,94 €

IGIC 7% 353,776 €

Presupuesto Total 5407,72 €

50

10. PRESUPUESTO

Concepto Valor

Costes Hardware 648,89 €

Costes de materiales electrónicos

utilizados 205,05 €

Costes de recursos humanos 4200 €

Total 5053,94 €

IGIC 7% 353,776 €

Presupuesto Total 5407,72 €

50

5407,72 €

11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

1. Motivación del proyecto

2. Objetivos

3. Introducción

4. Bloque 1: Unidad de control

5. Bloque 2: Servidor y base de datos

6. Bloque 3: Aplicación web

7. Sistema completo

7.1. Funcionamiento

7.2. Administración

8. Análisis y resultados

8.1. Temperatura

8.2. CPU

8.3. Memoria

8.4. Estudio energético

9. Aplicaciones

10. Presupuesto.

11. Conclusiones y trabajos futuros 51

11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

1. Configuración y programación al completo y desde cero de la Raspberry Pi para que sea capaz de cumplir con los requisitos del proyecto

2. Estudio de la placa Arduino y del kit de sensores3. Desarrollo de un Software para la petición y

recepción de datos que proceden de los sensores y posterior almacenamiento en una base de datos

4. Desarrollo de Software para cada dispositivo que será controlado por el cliente desde una aplicación web

52

11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

5. Configuración de un servidor y una base de datos que administrará el sistema y dará soporte a las diferentes instalaciones

6. Desarrollo de una aplicación web que permite monitorizar y controlar las instalaciones mediante cualquier dispositivo que soporte un navegador web

7. Medidas de seguridad en la configuración de la RPi, en la base de datos, en el servidor y en la aplicación web

8. Estudio de los requisitos de diferentes instalaciones9. Construcción de un prototipo mediante el cual se podrá

realizar una demostración

53

11. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

• Trabajos futuros

1. Implementar la comunicación ZigBee2. Proporcionar mayor seguridad a la aplicación web.

Conexión segura SSL3. Desarrollar una aplicación móvil para los sistemas

operativos móviles más importantes4. Añadir más nodos con sensores que midan

diferentes parámetros y aumentar así el número de posibles aplicaciones

5. Proveer una salida comercial al proyecto

54

AUTOR: D. Zebenzuy Lima López

TUTORES: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez

Dr. Hugo García Vázquez

TITULACIÓN: Ingeniero de Telecomunicación

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