Proyecto de Innovación Tecnológica2015

DATOS DEL PROYECTOTítulo del Proyecto: Desarrollo de redes de nodos inteligentes para aplicaciones didácticas y de automatización y procesamiento de señales Disciplina: ELECTRONICA

Tiene una solicitud de patente: No ( ) Si ( ) Número de solicitud:

Título de la invención:

Method and Apparatus for Sign Language TranslationTeclado Raton (en proceso de patentamiento en la OTT de la BUAP)

Nombre del Responsable: Jose Luis Hernandez Rebollar

Si colaboran más integrantes mencionarlos:

Nombre del estudiante becario: Ricardo Loaiza Toscuento Matricula: 200817294Programa Académico: Mecatronica

Nombre del estudiante becario: Bolanos Torres Miguel AngelMatricula: 200831872Programa Académico: Lic. Elecgtronica

INFORMACIÓN DEL PROYECTO

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Indique el Área de aplicación

( x ) Salud ( X ) Energía y Medio Ambiente

( X ) Electrónica, Computación y Comunicaciones

( ) Agroalimentación ( X ) Biotecnología ( ) Materiales

( ) Otro ______________

Resumen: Los nodos inteligentes combinan circuitos basados en microcontroladores y un sistema operativo con la capacidad de manejar algún protocolo de comunicación multipunto/multidrop para realizar tareas de monitoreo y control de una manera distribuida. De manera alambrica o inalámbrica, las redes de nodos inteligentes se han utilizado ampliamente en diversas areas tales como la automotriz, manufactura, robotica y en general, en cualquier aplicación donde sea necesario monitorear y controlar variables de naturaleza física ( temperatura, presión, aceleración, humedad, velocidad, fuerza, etc. En esta propuesta se describe un nodo inteligente para ser utilizado en prototipos didácticos para las materias de Automatizacion y de Robotica de la FCE; para la versión 6.2 del guante instrumentado “Acceleglove”, cuya patente fue otorgada en 2009; para el prototipo de Teclado Raton, cuya patente se encuentra en tramite por la OTT de la BUAP.

Palabras Claves: Redes de nodos, nodo inteligente, control distribuido, redes multipunto.

Planteamiento del problema a resolver:

Las materias de robotica y automatización que ha impartido el autor de la presente propuesta, tienen una finalidad practica que no se llega a cumplir de manera cabal porque el tiempo limitado que se tiene para cubrir los temas de la materia (4 meses) no es suficiente para que el alumno construya los diferentes circuitos necesarios, los pruebe y los aplique en el mismo salón de clases.La automatización de instrumentos de laboratorio que ha llevado a cabo a lo largo de su practica profesional ha requerido del diseño de circuitos a la medida, lo que ha representado una inversión en tiempo y recursos que podrían optimizarse si se partiera de un proceso modular distribuido.

Antecedentes del Proyecto a desarrollar:

Durante el ejercicio de la actividad profesional del proponente, ha tenido la oportunidad de desarrollar diferentes circuitos basados en microcontroladores para tareas de monitoreo, control y comunicación. Estos circuitos se han utilizado en aparatos de laboratorio frabricados por una empresa local y comercializados en diferentes partes de la Republica. Estos circuitos, aunque aplicados en aparatos de diferentes características, rotavapores, incubadoras, agitadores, etc, tienen elementos de hardware y software que son comunes y, por tanto, se disenaron sobre una plataforma común que permitia reducir costos, inventarios y tiempos de fabricación. En el año de 2009 la USPTO otorgo la patente 7565295 de un sistema de traducción de senas manuales basado en un guante instrumentado con acelerómetros (el “acceleglove”) y una red de sensores en hombro y codo. El circuito central de tal sistema también esta basado en microcontrolador y su funcionalida guarda semejanzas con los circuitos desarrollados para los aparatos anteriormente descritos, es decir, se requiere del monitoreo de un cierto numero de sensores de diferentes naturalezas, procesar sus señales, y comunicarlas a una PC para su post procesamiento. Desde el año de 2011, el proponente ha cubierto las materias de automatización y de Robotica en la Facultad de Ciencias de la Electronica; una parte importante de estas materias es que el alumno reafirme conceptos de medición y control, de motores en el caso de Robotica, y de variables física en general en el caso de Automatizacion. Se han hecho practicas y proyectos finales en la que los alumnos construyen la circuitería necesaria. Se

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ha podido observar que seria ampliamente provechoso contar con modulos ya armados que se puedan programar en el salón de clase, no en un laboratorio, para aplicarlos en varios ejemplos durante el tiempo designado a una clase.Como proyecto final de la clase de automatización los alumnos han probado protocolos de comunicación en una red multipunto con relativo éxito, pero se podría avanzar en practicas mas complejas si se invirtiera menos tiempo en la construcción de tales modulos en clase.

Fundamentación del Proyecto:

Dado que la complejidad en la realización de los sistemas y practicas de clase descritas en la sección anterior, no esta en la construcción del hardware, sino en la programación y en la aplicación de los principios teoricos, se concluye que seria de mucha utilidad contar con modulos basados en microcontroladores que contaran con la flexibilidad necesaria para ser aplicados a varias practicas que se han indentificado en dichos cursos, a saber: control de velocidad de motores de dc, control de posición de motores de dc, monitoreo de variables físicas tales como temperatura, aceleración, inclinación y fuerza, comunicación entre dispositivos microcontroladores y la pc, y monitoreo de variables entre una pc y una red de dispositivos microcontroladores. Con fundamento en la experiencia acumulada en el diseño y fabricación de circuitos basados en microcontroladores para diversas tareas de monitoreo y control, se pretende desarrollar un modulo de multiples aplicaciones con capacidades de monitoreo de variables físicas y comunicación con otros dispositivos, en otras palabras, de nodos inteligentes basados en microncontroladores.

Objetivo:

Diseñar y fabricar nodos inteligentes, basados en microcontroladores, reprogramables para ser utilizados como material didáctico en las materias de automatización y Robotica de la CFE, y en el desarrollo de prototipos de automatización patentados o en proceso de patentamiento. Igualmente, diseñar y fabricar circuitos sensores compatibles con tales nodos inteligentes para la conformación de redes de sensores inteligentes con capacidades de monitoreo y control.

Objetivos específicos:

Diseño Disenar el hardware necesario para fabricar un nodo inteligente basado en microcontrolador.Fabricar un conjunto (“batch”) de nodos inteligentes para validación del diseño.Disenar el sistema operativo (firmware) del nodo inteligente para que realice tareas de monitoreo de variables física y de comunicación con otros nodos inteligentes en una red multipunto.Utilizar los nodos inteligentes como material didáctico para practicas de monitoreo y control de velocidad de motores de dc, de monitoreo y control de posisicion de motores de dc, de monitoreo y control de temperatura, fuerza, aceleración, en una red distribuida de nodos inteligentes. Utilizar los nodos inteligentes para desarrollar la versión 6.2 del guante instrumentado “acceleglove” aplicado en el reconocimiento de gestos manuales del Lenguaje de Senas.Utilizar los nodos inteligentes para desarrollar el primer prototipo del Teclado Raton que

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actualmente se encuentra en tramite de patentamiento en la OTT de la BUAP.

Metodología:

Por la naturaleza del dispositivo planteado, la metodología utilizada en el dise;o es “top-down”. Se utilizaran herramientas de dise;od de circuitos impresos, herramientas de programación en lenguaje C (LabWindows) siguiendo una metodología de programación estructurada, y se usaran herramientas de programación de microcontroladores adecuados a la marca y modelo ( se propone MPLAB para MicroChip). Para la estructuración de la red multipunto, por su naturaleza multdrop, se plantea una topología abierta (“bus”) y el uso de protocolos MODBUS sobre un estándar RS485. Para conformar una red de sensores inteligentes, el usuario conecta un breadboard de sensor a un nodo esclavo que tiene cargado el firmware de nodo esclavo. A través de una interfase de configuración, el usuario asigna una dirección y una identidad al nodo, por ejemplo nodo 4 de Temperatrura. De manera similar, el usuario puede escoger un nodo maestro y por medio de la interfase de configuración configurar la red para indicar el numero y tipo de nodos esclavos conectados en la red. De esta forma el nodo se configura para leer y procesar adecuadamente la senal del sensor en cuestión y recibe una dirección para recibir y responder los mensajes de parte del maestro de la red. Estos mensajes pueden ser solicitudes o comandos de parte del maestro, o respuestas de parte de los esclavos. El usuario entonces tiene la posibilidad de hacer el monitoreo de los sensores por medio de un desplegador de cristal liquido conectado al nodo maestro, o bien, desarrollar una interfase propia para monitorear los esclavos directamente, o monitorearlos por medio del maestro. De esta manera la integración de un sistema de monitoreo y control se puede realizar en muy poco tiempo y de manera muy versátil, lo que se traduce en optimización de recursos monetarios en una aplicación comercial o industrial.

Desglose de presupuesto:

Descripción Cantidad20 nodos esclavos: microcontrolador, cristal, capacitores, max485,header 4p, botón de reset, header 5p, led, resistencias

$7000

20 nodos maestros: microcontrolador, cristal, capacitores, max485,header 4p, botón de reset, header 5p, led, resistencias, conector USB-A, convertidor FTD232

$8600

10 breadboard de Temperatura: sensor, resistencias, capacitor, header 4p

$1000

10 breadboard de Presion: piezo, resistencias, capacitor, header 4p

$6000

10 breadboard de velocidad angular: par optico, resistencias, capacitor, header 4p, transistor

$1000

10 breadboard de posición angular. multivueltas, resistencias, capacitor, header 4p

$3000

20 breadboard de aceleración= acelerometro, (tooling/setup fee) por montaje smd, resistencias, capacitor, header 4p

$4000

10 breadboard de fuerza/peso. celda, resistencias, capacitor, header 4p

$2000

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10 breadboard con puente H. puente, resistencias, leds, capacitor, header 4p

$1200

Prototipo de teclado/raton: 8 impresiones en 3D, matriz de 30 switches, resbalones

$10,000

Prototipo de guante “acceleglove”: diseño en tela, 4 tranceptores Xbee

$6500

Prototipo de control de velocidad de DC: rosetas y placas circulares impresos en 3D, motores de DC

$18000

Prototipo de control de posición: eslabones impresos en 3D, tornillos, arneses,

$1800

Prototipo de RED de control de velocidad de DC: tornillos, arneses, conectores:

$1800

Total: $73700.00

Bibliografía:

Otros: Patente 7565295, www.freepatentsonline.com

METAS COMPROMISO A LA CONCLUSIÓN DEL PROYECTOLos compromisos del presente proyecto son:1.- Construir un conjunto de 20 nodos esclavos con puerto de programación (in circuit), puerto de comunicación RS485, 5 entradas analógicas y 8 entradas/salidas digitales.2.-Construir un conjunto de 20 nodos maestros con puerto de programación (in circuit), puerto de comunicación 485, puerto de comunicación USB a PC, 5 entradas analógicas y 8 salidas/entradas digitales.3.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor (breadboard) de Temperatura4.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor (breadboard) de Presion5.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor óptico (breadboard) de velocidad angular.6.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor resistivo (breadboard) de posición angular.7.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor (breadboard) de aceleración8.- Construir un conjunto de 10 tarjetas con sensor resistivo (breadboard) de fuerza/peso.9.- Construir un conjunto de 10 tarjetas (breadboard) con puente H.10.- Adaptar el sistema operativo (firmware) para el nodo maestro a partir de sistemas operativos desarrollados en los cursos de automatización.11.- Adaptar el sistema operativo (firmware) para el nodo esclavo a partir de sistemas operativos desarrollados en los cursos de automatización.12.-Construir el prototipo de teclado/raton en impresora 3D usando un nodo maestro y un nodo esclavo.13.- Construir la versión 6 de guante “acceleglove” usando un nodo maestro y 6 breadboard de aceleración.14.- Desarrollar un prototipo de control de velocidad de DC usando un nodo maestro un breadboard de puente H para la materia de Control.15.- Desarrollar un prototipo de control de velocidad de DC usando un nodo maestro y varios nodos esclavos con breadboard de puente H, para la materia de automatización.

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INFORMACIÓN DE POTENCIAL COMERCIALVENTAJAS POTENCIALES

Una ventaja evidente del desarrollo propuesto es la modularidad del sistema, es decir, que cada uno de los componentes descritos (breadboard, nodo, maestro, etc), son comercialmente viables de manera individual o como un sistema integrado. Por hacer uso de un protocolo robusto de comunicación, las aplicaciones no están restringidas al medio académico, sino que son también aplicables en dispositivos de uso domestico o industrial.Otra ventaja es el nivel de innovación, pues no existe producto similar en el mercado. Con un licenciamiento adecuado se puede transferir los derechos de fabricación o distribución a alguna empresa local para su explotación comercial por medio de distribución al mayoreo en tiendas especializadas y en sitios de comercialización en línea para el mercado global.

COMPARACIÓN CON OTROS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS O INNOVACIONES RELACIONADAS

Existen en el mercado algunos ejemplos de sensores en tableta (breadboard) a partir de la proliferación del sistema “Arduino” . Tales breadboard se enfocan en la compatibilidad de estas tabletas con las entradas disponibles en el Arduino. Las tabletas aquí propuestas complementarían la variedad que actualmente se empiezan a popularizar en el mercado. En cuanto a los nodos maestros o esclavos aquí propuestos no son comparables a los sistemas Arduino, puesto que estos sistemas se han desarrollados como sistemas abiertos de aplicación general, mientras que los nodos se plantean como unidades de aplicación especifica, esto es, el de monitoreo y comunicación de alguna variable física. Esto significa que en las aplicaciones donde el usuario necesita leer y controlar algún proceso donde se involucran n-variables, lo que deberá hacer es interconectar n-nodos esclavos (cada uno con su correspondiente breadboard) a un nodo maestro. Cada nodo esclavo se configura para el sensor correspondiente y reporta los valores post procesados por el canal RS485, a petición del maestro. El maestro reporta a una PC o bien despliega en un lcd. En otras palabras, la programación se reduce en el maestro

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METAS COMPROMISO DE TIPO DE DESARROLLO

( ) Proceso o metodología ( ) Equipo o dispositivo( ) Otro (especificar)

INDIQUE EL GRADO A ACANZAR DEL ENTREGABLE AL FINALIZAR

( ) Metodología ( ) Diseño ( ) Prototipo de laboratorio

( ) Diseño industrial o para escalamiento ( ) Modelo escala real ( ) Otro ______________

de manera considerable y el usuario (el alumno) se concentra mas en la integración y administración de la red de nodos. En dado caso, un arduino podría hacer las funciones de un nodo maestro, puesto que los nodos esclavos se pueden comunicar con cualquier sistema basado en microcontrolador o directamente a una pc con puerto RS485.El iMote2, desarrollado por Standford, es un nodo sensor para redes inalámbricas, y a la fecha se ha situado en el mercado de los laboratorios de investigación y desarrollo relacionados con protocolos y topologías de redes inalámbricas.

NECESIDADES DEL MERCADO QUE CUBRE LA TECNOLOGÍA O INNOVACIÓN

La necesidad que esta tecnología cubre es la integración de sistemas de monitoreo y control de variables físicas mediante modulos pre programados y listos para desplegarse. El tiempo de integración se reduce, la necesidad de diseñar sistemas “ad-hoc” se elimina, y se produce un ahorro de tiempo y de recursos.2El mercado esta compuesto tanto por la academia como por hobbystas e ingenieros independientes que se dedican a la automatización de procesos y fabricación de equipos de aplicación comercial o industrial, integradores, pequeños talleres y laboratorios académicos y de investigación..

ANÁLISIS DE COMPETENCIA (Información sobre competidores, así como de productos y/o tecnologías competitivas)

Freescale comercializa directamente un breadboard con acelerómetro analógico por un precio de 10 dlls, Analog Devices fabrica un breadboard con acelerómetro pero no lo comercializa directamente, sino por medio de distribuidores como Digikey o Farnell a precios de 10 a 14 dlls. Algunas breadboard “compatibles” con Arduino son fabricadas por Phidgets, Keyes, Parallax, todos extranjeros. Dependiendo del tipo de sensor o actuador en el breadboard, estas tabletas varian en precio desde 50 pesos (un led) hasta 1200 pesos (el sensor de presión de Phidgets). En cuanto a nodos inteligentes como el aquí propuesto, se podrían listar como competencia al mismo Arduino y a los diferentes modulos de desarrollo para microntrolador como los USBX para PIC de microchip, los modulos Raspberry, los modulos Rabbit, los STAMP de microchip. La diferencia con estos modulos es que se han diseñado y están pensados como modulos de desarrollo en los que el usuario deberá crear sus propios programas de aplicación, mientras que los nodos de la presente propuesta se configuran mediante la interfase para monitorear un sensor y realizar las tareas de configuración y monitoreo por medio del puerto RS485 a cualquier dispositivo que por este medio se lo solicite. En cuanto a nodos para crear redes se refiere, la mejor comparación seria con un desarrollo de Stanford conocido como iMote2 y su sistema operativo conocido como TinyOS. Con mas de 10 anos en desarrollo, el sistema operativo se distribuye de manera libre y se utiliza en algunos sistemas basados en Atmet y Texas Instruments, además de los iMote2. A una década de desarrollo, el iMote2 no ha logrado la penetración que el Arduino logro en una fracción de ese tiempo tal vez por la diferencia de precio y la complejidad del lenguaje. Otra diferencia importante es que el iMote2 fue diseñado para redes inalámbricas y por tanto el hardware incluido en el modulo incluye mas circuitería (un tranceptor RF, manejo y regulación de batería, por ejemplo) y por tanto es mas costoso.

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USUARIOS Y/O CLIENTES POTENCIALES

Nacional:

NACIONAL. Los usuarios internos inmediatos son los alumnos de los cursos de robotica y de Automatizacion, aunque no quedan excluidos los alumnos de otros cursos relacionados con monitoreo de señales, control e interfases con computadora. Los usuarios externos a la BUAP, se identifican dentro de la población de los alumnos de las carreras de mecatrónica y de electrónica, estimado en un 13% de los alumnos e ingeniería en Mexico (146,000 alumnos en 2012). Clientes potenciales son los negocios especializados en la distribución de material electrónico tales como electronicaestudio.com, agelectronica.com, dx.com, electronicatorres.com, etc. Usuarios potenciales, que ya han usado los circuitos descritos en la sección de antecedentes son: Grupo Ingenieria Industrial Aplicada, Sistemas y Equipos de Vidrio, y Vichi Laboratorios, todos en Puebla.

En el extranjero:Acceleglove LLC, subsidiaria de Institute for Dissabilities Research and Training Inc, para el caso especifico del prototipo de la versión 6.2 de acceleglove

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